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Istituto di ricerche sulla combustione

Descrizione

L'Istituto di Ricerche sulla Combustione (IRC) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) è stato fondato nel 1968 a Napoli come Laboratorio di Ricerche sulla Combustione dal prof. Leopoldo Massimilla, trasformato in Istituto il 20 dicembre 1979 e confermato a valle del processo straordinario di riordino del CNR nell'anno 2001 con decreto presidenziale come qualificato istituto di ricerca scientifica e tecnologica, di livello internazionale con capacità di autofinanziamento. L'attività di ricerca svolta dall'IRC è finalizzata allo studio dei processi di combustione che sono alla base delle tecnologie di produzione dell'energia elettrica e termica, delle tecnologie propulsive utilizzate per il trasporto, delle tecnologie di distruzione dei rifiuti, nonché di fenomeni indesiderati, quali incendi ed esplosioni, connessi alle produzioni della industria chimica e petrolifera. I processi di combustione hanno rilevanza anche per il progresso tecnologico in alcune delle produzioni della chimica di base e della chimica fine, nell'industria dei materiali speciali, nella metallurgia. Una forte domanda di approfondimento scientifico delle complesse fenomenologie coinvolte nella combustione e nelle tecnologie inerenti viene dalle sempre più pressanti esigenze di miglioramento dei rendimenti di tali processi ai fini del risparmio energetico e della riduzione dell'impatto ambientale. L'ottimizzazione dei sistemi di generazione di energia elettrica, l'utilizzo di fonti energetiche alternative e rinnovabili quali quelle ricavabili da materiali di risulta, da cicli di produzione e dai rifiuti civili o industriali, la riduzione dell'impatto ambientale, la valutazione e la prevenzione dei rischi associati a processi industriali che utilizzano sostanze combustibili costituiscono aree di interesse nazionale ed internazionale in cui l'Istituto è impegnato con attività di ricerca sia a breve che a lungo termine in grado di rispondere a esigenze sia di conoscenze di base che di carattere tecnologico e industriale. D'altra parte lo studio dei processi di combustione richiede un approccio interdisciplinare legato alla complessità e varietà dei fenomeni chimici e fluido-dinamici coinvolti per le quali risorse e competenze afferenti alle diverse discipline di scienze chimiche e di ingegneria sono indispensabili. In questo senso l'IRC garantisce tale approccio poiché ha unità di personale di ruolo tecnico e ricercatore di differente estrazione culturale (ingegneri chimici, aeronautici ed elettronici, chimici e fisici) in grado di progettare, acquisire e utilizzare impianti tecnologici, metodiche e apparecchiature di ricerca di livello competitivo e all'avanguardia. L'interdisciplinarietà e la profondità dell'approccio scientifico è altresì garantita dalla stretta collaborazione sia con il Dipartimento di Ingegneria Chimica dell'Università di Napoli "Federico II", con cui l'Istituto ha scambiato risorse, metodi e programmi, sia con diverse istituzioni internazionali di ricerca quali il Massachusetts Institute of Technology (USA), i Sandia National Laboratories (USA), l'Università di Leeds (UK), l'Università di Twente (Olanda), La Electricitè de France (Francia), il Cerchar (Francia), il CNRS (Francia). L'interfaccia con il mondo industriale è asicurata dalle strette collaborazioni con industrie quali ANSALDO, ENEL, FIAT e società del gruppo ENI. L'intensa attività svolta dall'Istituto ha contribuito nel corso degli anni a che l'IRC potesse affermare un ruolo di "eccellenza" e rappresentare un punto di riferimento sia nazionale che internazionale per quanto riguarda attività di ricerca sui processi di combustione. Ne sono testimonianza, oltre ai molti lavori pubblicati su riviste o atti di convegni internazionali, le partecipazioni a iniziative e programmi comunitari (progetti Joule, Coke, Environmental, Fox, Fair, Brite) e nazionali (Direzione del Sottoprogetto "Carbone Idrogeno" del Progetto Finalizzato Energetica II; Progetti Finalizzati Energetica, Trasporti 2, Chimica Fine; Progetti Strategici Microscopia Tunneling; Aree Metropolitane ed Ambiente, Tecnologie Chimiche Innovative; Progetto Mediterraneo; Programmi Operativi 1994-1999 CE/MURST) nelle differenti aree tematiche dell'energia, dell'ambiente e della produzione industriale. L'IRC accoglie la segreteria della Sezione Italiana del Combustion Institute, istituzione che raccoglie scienziati e tecnici della combustione di tutto il mondo, costituendo il riferimento a livello nazionale di studi sui processi di combustione. Relativamente alle ricerche che da diversi anni si conducono presso l'IRC in merito alle problematiche di sicurezza nella conduzione di impianti dell'industria chimica e di processo e nello stoccaggio e trasporto di combustibili, si segnala l'istituzione presso l'IRC, nel 1995 e fino al 2004, del Gruppo Nazionale per la Difesa dai Rischi Chimico Industriali ed Ecologici (GNDRCIE), nell'ambito della convenzione Dipartimento della Protezione Civile-Consiglio Nazionale delle Ricerche. Le attività di ricerca dell'IRC sono inquadrate in cinque aree tematiche: una area di ricerca di tipo fondamentale su cinetiche di ossidazione e pirolisi e sulle diagnostiche avanzate atte a rilevare singole specie o classi di inquinanti sotto forma di gas, aerosol e vapori all'interno e allo scarico dei sistemi di combustione. Due aree di ricerca a più stretto carattere tecnologico sviluppano lo studio dei processi di combustione dei liquidi e dei solidi di origine fossile o di combustibili alternativi con particolare riguardo alle tecnologie che riducono l'impatto ambientale. Un'ulteriore area tematica specifica riguarda i processi catalitici per lo sviluppo di sistemi di combustione innovativi e/o per la riduzione e abbattimento degli inquinanti, attraverso il trattamento dei fumi di combustione. Infine, considerata l'importanza degli aspetti di sicurezza e di processi in cui avvengono fenomeni incontrollati di esplosione e incendi, è presente un'area di ricerca sulla valutazione dei problemi di sicurezza connessi ai processi di interesse industriale.
CHIMICA E FISICA DELLA COMBUSTIONE. Quest'area di ricerca ha come obiettivo l'acquisizione delle conoscenze di base e delle metodologie diagnostiche necessarie sia per la comprensione dei meccanismi fondamentali (cinetica chimica, fluidodinamica e termodinamica) coinvolti nei processi di combustione sia per la realizzazione di sistemi diagnostici per applicazioni industriali. A tale scopo sono sviluppate avanzate metodologie diagnostiche e modelli di simulazione numerica che vengono sistematicamente applicati per la determinazione delle caratteristiche dei processi, che hanno luogo in sistemi di combustione canonici, sia in termini di efficienza che di produzione di specie inquinanti (gassose e particellari). Fiamme laminari e turbolente di combustibili gassosi o vaporizzati sono studiate mediante tecniche di campionamento ed analisi chimica e tecniche spettroscopiche allo scopo di ottenere informazioni sulle cinetiche sulla formazione e distruzione d'inquinanti in correlazione alle configurazioni fluidodinamiche ed agli altri parametri controllanti (natura chimica dei reagenti, rapporto di equivalenza, tempi di permanenza, temperature di fiamma etc.). Reattori a perfetta miscelazione ed a flusso non diffusivo sono utilizzati per lo studio delle caratteristiche dinamiche di sistemi reattivi quali le cinetiche di ignizione ed i comportamenti oscillatori. Rilievo è anche dato ai meccanismi di formazione di particolato organico con dimensioni medie di pochi nanometri per la cui caratterizzazione è necessario l'impiego di tecniche di campionamento ed analisi altamente sofisticate.

TECNOLOGIE E PROCESSI DI COMBUSTIONE AD ALTO RENDIMENTO E BASSO IMPATTO AMBIENTALE. Obiettivo generale di tale area di ricerca è lo studio di tecnologie e processi di combustione avanzati che possano soddisfare i requisiti di maggiore efficienza realizzando, nel contempo, una significativa riduzione dell'impatto sull'ambiente. Il raggiungimento di un maggiore livello di eco-compatibilità dei sistemi di combustione viene perseguito sia attraverso la messa a punto di soluzioni tecnologiche che comportino una minore produzione di inquinanti (quali particolato, idrocarburi policiclici aromatici ed NOx) sia attraverso lo sviluppo di tecnologie che permettano l'impiego di combustibili provenienti da fonti rinnovabili e/o non fossili. L'attività di ricerca è concentrata sullo studio dei meccanismi di formazione degli inquinanti, sulla caratterizzazione con tecniche intrusive e non intrusive di sistemi reagenti in campi fluidodinamicamente complessi, sull'analisi dell'atomizzazione evaporazione e miscelamento di combustibili liquidi e sulla messa a punto di codici di calcolo per la simulazione dei processi di combustione. I riferimenti tecnologici di tale attività sono i bruciatori atmosferici stazionari per la produzione di energia e/o di acqua calda nonché i sistemi operanti in condizioni di alta pressione quali i sistemi turbogas. Nell'ambito dello sviluppo di tecnologie innovative di combustione vengono condotte attività di sperimentazione e di modellazione numerica, al fine della determinazione delle potenzialità e della messa a punto di strategie ottimali di impiego di sistemi di combustione operanti in condizioni diluite (quali turbine a gas LP e LPP) e super-diluite (quali sistemi operanti in condizioni MILD). A titolo esemplificativo la combustione in regime premiscelato povero per l'abbattimento delle emissioni di NOx, rende necessario estendere l'analisi anche agli aspetti dinamici del funzionamento dei bruciatori. E' infatti molto comune la difficoltà di controllare l'insorgere di condizioni di funzionamento "instabili" (più propriamente dinamiche) che provocano il rapido deterioramento delle apparecchiature, forti emissioni acustiche o l'impossibilità di garantire la continuità di esercizio. Tali aspetti sono studiati mediante metodologie di indagine teorica basate sullo studio della stabilità non lineare dei modelli matematici che rappresentano i bruciatori.

COMBUSTIONE E GASSIFICAZIONE DI COMBUSTIBILI FOSSILI ED ALTERNATIVI. Obiettivo di tale area di ricerca è quello della verifica delle prestazioni di reattori a letto fluido bollente e circolante in processi di trattamento termico di combustibili di differenti caratteristiche. Lo studio riguarda sia i combustibili solidi tradizionali, quali quelli fossili, sia combustibili alternativi, quali quelli ricavati dai rifiuti civili e/o industriali, le biomasse e i reflui combustibili. L'attività di ricerca è rivolta alla caratterizzazione dei meccanismi di comminuzione e combustione di particelle carboniose in letto fluido, e cioè della frammentazione primaria, secondaria e per percolazione, dell'abrasione e della combustione stessa. Lo studio di tali processi è essenziale per una corretta progettazione ed esercizio di caldaie a letto fluidizzato e questo sia dal punto di vista della efficienza di combustione che di quello dell'impatto ambientale. In tale ambito vengono messe a punto sia tecniche diagnostiche che apparecchiature sperimentali ad hoc di differente scala, da quella di laboratorio a quella pre-pilota, sia codici di calcolo per la simulazione dei vari fenomeni concorrenti nei processi di combustione e/o gassificazione in letto fluidizzato.

MATERIALI E PROCESSI CATALITICI PER ENERGIA ED AMBIENTE. Obiettivo di tale area di ricerca è lo studio dei processi di riduzione delle emissioni di inquinanti (NOx, SOx, CO, incombusti) nella combustione di idrocarburi. La combustione catalitica è una tecnica di controllo di tipo primario che consente di limitare fortemente la produzione di NOx, CO e incombusti operando efficientemente a temperature significativamente più basse che nei tradizionali processi con fiamma ed anche al di fuori dei normali limiti di infiammabilità. La ricerca su questo tema è suddivisa in uno studio fondamentale del comportamento catalitico di materiali a base di ossidi metallici e in uno studio più applicativo del processo per usi industriali e domestici condotto su catalizzatori strutturati o in reattori a letto fluidizzato con particolare attenzione alla stabilità termica dei sistemi sviluppati. Nell'ambito delle tecniche di abbattimento secondario (perché intervengono a valle del processo di combustione tradizionale)gli studi riguardano prevalentemente la reazione di decomposizione catalitica dell'NO, quale vantaggiosa alternativa ai processi di abbattimento commercialmente sviluppati che impiegano un agente riducente. Essa viene condotta su catalizzatori a struttura zeolitica a base di rame focalizzando sia aspetti meccanicistici fondamentali sia aspetti più applicativi legati alla stabilità idrotermica di questi materiali. Processi innovativi quali il trattamento a secco di tipo spary-drying sono alla base dello studio dell'abbattimento di SOx prodotti nei processi di combustione. Tematiche legate alla combustione di CDR sono invece lo studio dell'abbattimento di vapori di mercurio per adsorbimento su materiali di diversa natura e l'effetto dell'avvelenamento da inquinanti, quali metalli alcalini e HCl, sulle prestazioni catalitiche nella denitrificazione SCR dei tradizionali catalizzatori a base di V2O5. Un ulteriore obiettivo di questa area è rappresentato dalla trasformazione di idrocarburi leggeri in prodotti a più alto valore aggiunto (intermedi organici per l'industria chimica) attraverso processi catalitici innovativi a minor impatto ambientale rispetto a quelli attuali che impiegano alimentazioni ricche in N e S. In questa tematica sono compresi studi di conversione sia di etano che di propano in olefine o ossigenati conducendo la reazione su catalizzatori sia in polvere che su strutturati.

PREVENZIONE DEI RISCHI DERIVATI DALL'USO DI COMBUSTIBILI E MATERIALI PERICOLOSI. Obiettivo di tale area di ricerca è lo studio degli aspetti di sicurezza di processi chimici di interesse industriale. L'attività riguarda sia la prevenzione di fenomeni di runaway ed esplosione termica sia la messa a punto di tecniche di monitoraggio e risanamento ambientale conseguenti al rilascio di sostanze tossiche a seguito di incidenti, sia l'individuazione di interventi per la mitigazione delle conseguenze. All'attività svolta con metodi sperimentali si affianca l'investigazione modellistica (fluidodinamica computazionale). Nell'ambito dello studio di tecniche di monitoraggio e risanamento ambientale conseguenti al rilascio di sostanze tossiche la ricerca attualmente mira alla caratterizzazione termocinetica dei sistemi di interesse effettuata associando tecniche calorimetriche diverse (calorimetria in scansione, adiabatica, isoperibolica ecc.) a tecniche analitiche quali GC-MS e LC. Con riferimento a condizioni di emergenza conseguenti il rilascio di sostanze tossiche sono individuabili due tipi di azioni di intervento diverse per finalità e tempi: (a) il monitoraggio dell'ambiente, (b) gli interventi di risanamento per ridurre i livelli di inquinamento. In tale ambito i processi di ossidazione avanzata (AOP) appaiono di notevole interesse. Lo studio e/o la previsione del comportamento di miscele gassose infiammabili è perseguito mediante strumenti di simulazione numerica. Ciò consente di rendere disponibili metodi di analisi delle conseguenze molto avanzati (Computational Fluid Dynamics) applicabili anche in quelle situazioni in cui un'indagine sperimentale è proibitiva, come ad esempio la previsione delle conseguenze di una esplosione in un impianto industriale reale. Tali ricerche sono da inserire in un contesto di attività che mirano alla valutazione dei rischi derivanti dall'utilizzo di materiali pericolosi ossia all'analisi di metodologie su cui basare la predisposizione delle misure di prevenzione e di pianificazione per la gestione delle emergenze, e più in generale di metodologie per l'analisi del rischio sia di singoli industrie che di aree industriali.

 

 

 
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