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Dell'Antonia, Daniele (2011) Caratterizzazione delle emissioni durante la combustione di biomasse erbacee e legnose. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Energy resources will play an important role in the world’s future. Energy is considered a prime agent in the generation of wealth and a significant factor in economic development. The im-portance of energy in economic development is recognized universally and historical data confirm that there is a strong relationship between the availability of energy and economic activity. There are many alternative new and renewable energy sources which can be used as a substitute for fossil and conventional fuels [Demirbas, 2005]. Biomass such as wood, bark, straw, and biowaste is a promising CO2-neutral alternative solid fuel owing to the decreasing resources of fossil fuels [Zhou, 2006]. Current energy consumption of biomass accounts for about 9,7% of total world energy con-sumption, second only to coal, oil, and natural gas [ENEA, 2010]. Developing countries account for 75% of the biomass utilization [Zhao, 2008]. As to 2009, the energy consumption in Italy was 180 Mtoe (million tons of oil equivalent), where all renewable energy resources, including hydropower and biomass, accounted for 20,7 Mtoe (about 11,7%) [ENEA, 2008]. While no official figures exist as to the contribution of biomass alone, some recent estimates report a total potential of 24-30 Mtoe (about 13.6%) [ITABIA, 2008].
Recently it was suggested to use agricultural products (such as poplar from short rotation fo-resty and miscanthus) and by-products for domestic heating. The opportunity of using agricultural residues as fuel allows the agricultural production to be diversified towards the energetic compart-ment. Domestic combustion of biofuel may be carried out in simple wood stoves as well as in more advanced ones, such as pellet burners and modern wood boilers, and the emissions of pollutants may vary over a wide range [Johansson, 2004; Dell’Antonia 2010]. However, biomass utilization in thermal energy production is not devoid of problems because of its physical characteristics (e.g. particle size, bulk density, moisture content, ash, gross calorific value (GCV)) and its chemical composition which are substantially different from conventional energy sources [Khana, 2008; Ob-ernberger, 2006]. It is known that the biomass burning in boilers emit pollutants in the atmosphere, the main of which are particulates, carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOX) sulphur dioxide (SO2), unburned hydrocarbons (CXHY), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and other organic compounds [Bhattacharya, 2000]. As pointed out by Smith 1994, the products of incomplete combustion have three major adverse effects: energy loss, impact on human health and impact on the environment. He estimated that the use of biomass fuels contributed 1 to 5% of all CH4 emis-sions, 6 to 14% of all CO emissions, 8 to 24% of all total non-methane organic compounds (TNMOC) emissions and thus 1 to 3% of all human induced global warming.
Besides the pollutants emission in the atmosphere, also ash content and ash behavior are im-portant parameters both for energetic reasons and for technical reasons. In particular, the first one influence the calorific value of the biomass and gives raise to problems involving the disposal of the combustion inorganic residue. The ash behavior is important for the fouling and slagging phenomena responsible of reducing in energy efficiency and damaging on the internal part of the combustion system [Toscano, 2008]. The combustion processes with herbaceous biomasses which have a high content of alkaline elements cause bed agglomeration and ash sintering on heat exchangers with a decrease of heat capacity transfer. Using additives during combustion of cereal grain reduces the problem of sintering [Ronnback, 2008]. In Denmark it is commonly recommended to add 1-2% of limestone (calcium carbonate CaCO3) to avoid sintering. An addition of calcium to different grains reduces slagging considerably, expecialy for wheat and rye, due to formation of calcium potassium phosphates with high melting temperature in the bottom ash, instead of potassium phosphates with low melting temperatures [Ronnback, 2008; Lindstrom, 2006]
For an assessment of biomass as an energy source, from the environmental point of view, it would be important to assess the extent of the multiple emissions besides the ash behavior. The re-search has identified the characteristics of the emissions in the biomass combustion and the possible solution to reduce their polluting effects on the environment and on human health.
In the first experiment the gaseous products namely CO2, CO, NOX and SO2 emission for several biomass combustions (wood, corn and barley) were compared to fossil fuel combustions (natural gas, LPG and diesel boiler) in a small residential boiler. These tests showed the importance of the emissions changes during combustion (ash, particulate and gas) in relation to the type of biomass and its chemical composition. In the second experiment a physical and chemical characte-rization of biomass used in the trial was made, to assess the differences during the combustion of agro-forestry biomass, and results were compared with those reported in international scientific lite-rature. This allowed to relate the different emissions produced by combustion with the chemical composition of the biomass used and define the most adequate experimental methodology to im-prove the energy performance of biomass. Moreover the best combination of biomass with agro-foresty biomass and additives have been identified to improve combustion characteristics in relation to the ash behavior and the reduction of pollutants emissions into the atmosphere: corn flour with different percentages of beech wood (12,5%, 25%, 50%), corn flour with 1% of hydrated lime additives (Ca(OH)2) and corn grains with Calcium hydroxide (Ca(OH)2) treatment (1-2%). The samples were pelleted and subsequently tested in an experimental boiler to determine the gaseous and emissions into the atmosphere and the slag deposit in the combustion chamber.
Data showed a lower emission of pollutants in the flue gas (CO, NOX, and SO2) by fossil fuel compared to biomass used for energy in a small residential boiler. This is because fossil fuels are made up of carbon and hydrogen while the biomass composition is very complex. In relation to CO, the emissions of fossil boilers are lower than the biomass, because the fossil fuels are liquid or ga-seous and have a better mix with oxygen. Conversely, the solid form of biofuels requires a chop to achieve a good degree of mixing and an incresed temperature in the combustion area. The herba-ceous biomass has a high ash content in relation to wood biomass. The increased concentrations of N, Cl and K in herbaceous biomass could cause problems regarding emissions, deposit formation and corrosion. In the second experiment the laboratory-tests showed the incresing of fusibility ash temperature then use Ca and Mg additive in relation to the ash melting point.
The third experiment reported the results obtained by the experimental boiler and showed a higher emission of pollutants in the flue gas (CO, H2, unburnt hydrocarbons and particulate matter) by beech wood compared to corn. In relation to the emission of nitrogen oxides (NOX) and sulfur oxides (SO2) the data confirms the higher emission for corn in relation to beech wood: the higher the nitrogen and the sulphur content in the fuel, the higher the NOX and the SO2. The mixture of corn flour with different percentages of beech wood did not show significant differences compared to corn in relation to the emission of NOX, and sulfur oxide emissions were significantly lower. In relation to the unburnt emission during combustion the mixed test resulted in higher values than corn. The corn flour with the addition of hydrated lime additives (Ca(OH)2) showed a high particu-late matter emission into the atmosphere and the high slag deposits in the combustion chamber, compared to the corn flour without additives. The corn grains with Calcium hydroxide treatment caused a large increase of slag deposits in the combustion chamber (higher than the corn flour mixed with hydrated lime) and a decrease the particulate matter emissions into the atmosphere compared to corn grains. Both samples with calcium hydroxide resulted in a reduction of sulfur oxides in relation to corn grain

Abstract (italiano)

Le risorse energetiche giocheranno un ruolo fondamentale nel futuro del pianeta, perché sono considerate un elemento significativo nello sviluppo economico. La sua importanza è riconosciuta universalmente e i dati storici confermano che esiste una stretta relazione tra la disponibilità di energia e l’attività economica. Esistono diversi tipi di energie alternative che possono essere utiliz-zate in sostituzione dei combustibili fossili convenzionali [Demirbas, 2005]. L’utilizzo di fonti di energia da biomasse quali il legno, la paglia, la corteccia, i residui vegetali sono quasi indifferenti nel bilancio della CO2, e sono un’importante scelta di breve termine per ridurre gli impatti negativi derivanti dall’uso dei combustibili fossili in via di esaurimento [Zhou, 2006]. Il consumo attuale di energia da biomassa rappresenta circa il 9,7% del consumo energetico mondiale, secondo solo al carbone, petrolio e gas naturale [ENEA, 2010]. I paesi in via di sviluppo coprono il 75% dei loro consumi energetici con l’utilizzo di biomasse [Zhou, 2008]. Attualmente, in Italia, l’energia fornita da tutte le fonti rinnovabili, incluse idroelettrico e biomasse, si attesta su un valore intorno al 11,7% (20,7 Mtep), rispetto al consumo interno lordo di energia (180 Mtep) [ENEA, 2009]. Sebbene non siano a disposizione dati ufficiali recenti stime hanno riportato che il contributo annuo delle bio-masse in Italia potrebbe essere di 24-30 Mtep (circa il 13,6%) [ITABIA, 2008].
Recentemente si è considerato di usare i prodotti agricoli (es. pioppo da short rotation fo-resty e miscanto) e i sottoprodotti per il riscaldamento domestico. L’opportunità di usare i residui come combustibile permette alle aziende agrarie di diversificare la loro produzione agricola verso il comparto energetico, consentendo una maggiore stabilità del reddito. La combustione di biocombu-stibili in impianti domestici può essere fatta in stufe tradizionali o in moderne caldaie a pellet o le-gna, dove le emissioni di inquinanti in atmosfera sono notevolmente inferiori [Johansson, 2004; Dell’Antonia 2010].
Tuttavia l’utilizzo di biomassa nella produzione di energetica termica presenta alcune pro-blematiche dovute alle sue caratteristiche fisiche (es. il diametro delle particelle la densità apparente, l’umidità, le ceneri, il potere calorifico superiore) e alla sua composizione chimica che sono so-stanzialmente differenti da quelle delle fonti energetiche convenzionali [Khana, 2008; Obernberger, 2006]. Nella realtà i processi di combustione risultano sempre incompleti e rilasciano sostanze in-quinanti dannose in atmosfera; particolato, monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NO2), biossidi di zolfo (SO2), idrocarburi incombusti (CXHY), idrocarburi aromatici policiclici (PAHS) e altri composti organici. [Bhattacharya, 2000]. I prodotti della combustione incompleta hanno tre ef-fetti negativi: perdita energetica, impatto sulla salute umana ed inquinamento dell’ambiente. L’utilizzo di biomasse combustibili contribuisce dall’1 al 5% delle emissioni totali di CH4 , dal 6 al 14% delle emissioni totali di CO, dal 8 al 24% delle emissioni totali di composti organici non-methane (TNMOC) e i infine influisce dall’1 al 3% sul riscaldamento globale [Smith, 1994].
Oltre alle emissioni di inquinanti in atmosfera, anche il comportamento delle ceneri in camera di combustione è un importante parametro da considerare (aspetti energetici e tecnici). In modo particolare l’influenza sul potere calorifico della biomassa, l’aumento dei problemi che riguardano lo smaltimento dei residui inorganici della combustione e i fenomeni di fusibilità delle ceneri che causano la formazione di depositi [Toscano, 2008]. I processi di combustione con biomasse erbacee, che presentano un elevato contenuto di elementi alcalini, causano agglomerati sulla griglia di combustione e fenomeni di sinterizzazione sugli scambiatori di calore che diminuiscono la capacità di trasferire il calore e danneggiano le parti interne dei sistemi di combustione. L’utilizzo di additivi durante la combustione di cereali riduce i problemi di sinterizzazione (in Danimarca si consiglia di aggiungere 1-2% di carbonato di calcio per evitare i fenomeni di sinterizzazione) [Ronnback, 2008]. L’aggiunta di calcio su diversi cereali diminuisce la formazione di depositi in modo considerevole (soprattutto per il frumento e il riso), grazie alla formazione di fosfati di calcio e potassio con alte temperature di fusione delle ceneri, invece della formazione di fosfati di potassio con basse tempe-rature di fusione [Ronnback, 2008; Lindstrom, 2006].
Per una valutazione dell’utilizzo delle biomasse come risorsa energetica, da un punto di vista ambientale, è quindi importante valutare le emissioni e i fenomeni di fusibilità delle ceneri. La sperimentazione ha identificato e valutato le caratteristiche delle emissioni durante la combustione delle biomasse e le possibili soluzioni per ridurre gli effetti di inquinamento sull’ambiente e sulla salute dell’uomo.
Nella prima fase della ricerca le emissioni di CO2, CO, NOX e SO2 durante la combustione di materiale agro-forestale (legno, mais e orzo) sono state confrontate con la combustione dei prodotti di origine fossile (metano, gasolio e GPL) in piccoli impianti utilizzati per il riscaldamento domestico. Da queste prove è emersa la necessità di comprendere in che modo variano le emissioni durante la combustione (ceneri, particolato e gas) in rapporto al tipo di coltura e alla sua composi-zione chimica. In riferimento a questa problematica, nella seconda fase della sperimentazione è stata fatta una caratterizzazione chimico-fisica delle biomasse utilizzate nella sperimentazione, per in-dividuare le differenze durante la combustione delle biomasse agroforestali, in riferimento anche a sperimentazioni scientifiche internazionali riportate in bibliografia. Questo ha permesso di relazio-nare i diversi fenomeni di combustione con la composizione chimica del materiale utilizzato e de-terminare una metodologia sperimentale per migliorare le prestazioni energetiche delle biomasse. Successivamente sono stati individuati dei miscugli di biomasse con prodotti agro-forestali ed addi-tivi per migliorare le caratteristiche di combustione in riferimento alla fusibilità delle ceneri e quindi diminuire le emissioni in atmosfera: farinetta di mais con diverse percentuali di faggio puro (12,5%, 25% e 50%), farinetta di mais con l’1% di calce idratata (Ca(OH)2) come additivo e il mais granella conciato (1-2%) con idrossido di calcio (Ca(OH)2). I campioni sono stati pellettati e successivamente testati in una caldaia sperimentale per determinare le emissioni gassose in atmosfera, le polveri totali e i depositi in camera di combustione.
I dati raccolti hanno evidenziato una minore emissione di sostanze inquinanti (CO, NOX e SO2) nelle caldaie a combustibile fossile rispetto alle biomasse utilizzate per il riscaldamento in pic-coli impianti residenziali. Questo perché i combustibili di origine fossile presentano una composi-zione chimica più semplice, caratterizzata da elevate percentuali di carbonio e idrogeno, che per-mettono di ottenere una migliore efficienza di combustione rispetto alla composizione più compli-cata delle biomasse. In relazione alle emissioni di monossido di carbonio (CO), le emissioni nella combustione dei prodotti di origine fossile sono più basse rispetto all’utilizzo delle biomasse perché sono in forma liquida o gassosa e quindi hanno una migliore miscelazione con il comburente. Con-trariamente, la forma solida dei biocombustibili richiede una triturazione per ottenere una buona mi-scelazione e quindi un incremento della temperatura in camera di combustione. Le piante erbacee hanno un contenuto di ceneri più elevato rispetto alle biomasse legnose. L’aumento nella concentra-zione di N, Cl, e K nei biocombutibili erbacei può causare problemi di emissioni in atmosfera, for-mazione di depositi e fenomeni di corrosione. In riferimento ai problemi di sinterizzazione delle ce-neri, la seconda fase della sperimentazione ha evidenziato che l’utilizzo di Ca e Mg come additivi aumenta la temperatura di fusione delle ceneri nei campioni analizzati in laboratorio.
Nella terza fase della sperimentazione i test eseguiti con la caldaia sperimentale hanno evi-denziato una maggiore emissione di incombusti (CO, H2, idrocarburi incombusti e polveri totali) per il pellet di faggio rispetto al mais. In riferimento alle emissioni di ossidi di azoto (NOX) e di zolfo (SO2) il mais ha determinato emissioni maggiori rispetto al legno di faggio, perché le biomasse erbacee hanno una concentrazione maggiore di azoto e zolfo rispetto alle biomasse legnose. I mi-scugli di farinetta di mais con il faggio non hanno evidenziato delle differenze significative rispetto al mais in riferimento alle emissioni di ossidi di azoto,mentre le emissioni di ossidi di zolfo sono state notevolmente inferiori. In relazione agli incombusti prodotti durante la combustione i miscugli hanno determinato valori più alti rispetto al mais, a causa della presenza del faggio. La farinetta di mais con l’aggiunta della calce idratata (Ca(OH)2) come additivo ha evidenziato un elevato aumento delle emissioni di polveri in atmosfera e dei depositi in camera di combustione, rispetto alla bio-massa di partenza. Il mais granella conciato con la idrossido di calcio, invece, ha determinato un e-levato aumento dei depositi in camera di combustione (maggiore rispetto alla farinetta di mais addi-tivata con la calce idratata) e una diminuzione delle emissioni di polveri in atmosfera rispetto alla granella di mais. Entrambi i campioni che presentano l’idrossido di calcio come additivo hanno de-terminato una diminuzione degli ossidi di zolfo in relazione alla granella di mais.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Gubiani, Rino
Correlatore:Pergher, Gianfranco
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 23 > Scuole per il 23simo ciclo > TERRITORIO, AMBIENTE, RISORSE E SALUTE > TECNOLOGIE MECCANICHE DEI PROCESSI AGRICOLI E FORESTALI
Data di deposito della tesi:NON SPECIFICATO
Anno di Pubblicazione:27 Gennaio 2011
Parole chiave (italiano / inglese):Biomass; Emissions; Combustion; Particulates
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/09 Meccanica agraria
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali
Codice ID:3630
Depositato il:20 Lug 2011 09:40
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  • Caratterizzazione delle emissioni durante la combustione di biomasse erbacee e legnose. (deposited 20 Lug 2011 09:40) [Attualmente visualizzato]

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