Istituto di ricerche sulla combustione (IRC)

Competenze

Le competenze dell'Istituto di Ricerche sulla Combustione sono maturate nell'ambito di una attività di ricerca fondamentale, rivolta all'approfondimento delle conoscenze sui processi di combustione e al relativo impatto ambientale, e di una attività di ricerca applicata, rivolta a rispondere a specifiche problematiche di ricerca di interesse pratico per altri Enti di Ricerca pubblici e/o privati ed Aziende. L'IRC ha affrontato lo studio di differenti problematiche di carattere fondamentale e applicative di interesse nei processi di combustione sia ottimizzando sistemi di combustione tecnologicamente avanzati per la combustione a basso impatto ambientale sia sviluppando in proprio o applicando metodologie di analisi e di diagnostica di avanguardia. Al passo con lo sviluppo di strumenti di calcolo sempre più potenti e sofisticati, l'IRC ha potenziato la capacità di calcolo e simulazione numerica. La crescita scientifica dell'Istituto è stata garantita dalla presenza di competenze afferenti alle discipline di chimica, fisica e ingegneria. L'approfondimento scientifico delle problematiche è stato reso possibile anche dalla stretta collaborazione, a livello nazionale, con l'Università di Napoli "Federico II" con il Politecnico di Milano ed altre prestigiose istituzioni universitarie italiane, ed a livello internazionale, con diverse istituzioni di ricerca quali il Massachusetts Institute of Technology (USA), Sandia National Laboratories (USA), l'Università di Leeds (UK), il Department of Chemical Engineering of Imperial College London (UK), l'Università di Twente (Olanda), La Electricitè de France (Francia), il Cerchar (Francia), il CNRS (Francia).
Ciò ha contribuito all'affermazione di un ruolo di eccellenza dell'IRC che lo rende 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. Un ulteriore riconoscimento delle competenze acquisite dall'IRC è testimoniato dalle differenti commesse di ricerca ricevute con grandi imprese tra cui: Electricitè de France (Francia), Ansaldo, Enel, Fiat, Società del Gruppo ENI, Eti e con diverse piccole e medie imprese tra cui: Costech, KTI, Oltek.
L'IRC ospita la segreteria della Sezione Italiana del Combustion Institute e costituisce a livello nazionale il punto di aggregazione di studi sui processi di combustione.
Dal 1995 presso l'IRC è stato istituito, nell'ambito della convenzione fra il Dipartimento della Protezione Civile ed il CNR, il Gruppo Nazionale per la Difesa dai Rischi Chimico Industriali ed Ecologici (GNDRCIE). La designazione dell'IRC come sede del GNDRCIE é un riconoscimento delle competenze acquisite dall'IRC in merito alle problematiche di sicurezza nella conduzione di impianti dell'industria chimica e di processo e sulla propagazione di reazioni indesiderate in sistemi gassosi e in mezzi eterogenei.
L'IRC ha progettato e realizzato diversi impianti, in scala da laboratorio fino alla scala pre-pilota, con sofisticate strumentazioni di monitoraggio ed analisi per lo studio e la caratterizzazione del processo di combustione e/o gassificazione di materiali combustibili di differente origine sia con riferimento alla efficienza di conversione che alla individuazione delle condizioni di esercizio più idonee al fine di ridurre l'impatto ambientale dei processi. Parallelamente i materiali di interesse nel processo di combustione così come quelli effluenti dal processo stesso sono caratterizzati sia tramite l'applicazione di protocolli di analisi standard (analisi chimica, termica, morfologica, ecc) sia con procedure di caratterizzazione sviluppate ad hoc dall'IRC per la valutazione preventiva delle performance attese. Di seguito si riporta una descrizione sintetica delle competenze acquisite dall'IRC distinte nelle cinque aree tematiche di ricerca dell'Istituto:

CHIMICA E FISICA DELLA COMBUSTIONE
In tale area l'IRC ha sviluppato competenze specifiche riguardo lo studio dei processi chimico/fisici di pirolisi e combustione di materiali combustibili, lo studio dei meccanismi di formazione di intermedi di reazioni che portano alla formazione di specie inquinanti. A tale scopo sono state acquisite competenze relative alle tecniche e procedure di campionamento ed analisi di inquinanti solidi, gassosi ed in fase condensata prodotti da processi di combustione. Nello stesso ambito sono state sviluppate competenze per l'utilizzo di tecniche di diagnostica ottica per la rilevazione di singole specie o classi di inquinanti sotto forma di gas, aerosol e vapori all'interno e allo scarico dei sistemi di combustione. In particolare le competenze riguardano: · Proprietà chimiche e spettroscopiche di Idrocarburi Policiclici Aromatici prodotti in combustione.
· Tecniche di campionamento di intermedi di reazione e di gas di combustione.
· Metodiche di separazione ed analisi di prodotti di combustione mediante tecniche di analisi chimica strumentale e tecniche spettroscopiche.
· Tecniche ottiche per analisi non intrusive di processi di combustione.
· Meccanismi di ossidazione e pirolisi del combustibile ad alta temperatura con particolare riguardo ai meccanismi di formazione di inquinanti gassosi (CO, NOx, etc.) e particellari (IPA, PM10).
· Cinetiche di ossidazione e pirolisi di combustibili gassosi e liquidi in condizioni di temperatura intermedia e con diluizione dei reagenti.

TECNOLOGIE E PROCESSI DI COMBUSTIONE AD ALTO RENDIMENTO E BASSO IMPATTO AMBIENTALE. In questa area di ricerca l'IRC ha sviluppato competenze specifiche riguardo lo sviluppo eco-compatibile di tecnologie di combustione di combustibili liquidi e gassosi con riferimento ai sistemi di produzione di energia quali i bruciatori atmosferici e i sistemi turbogas. Particolare rilievo è stato dato alla valutazione dell'impiego di combustibili non tradizionali derivanti da processi di produzione industriale e/o da biomasse. Le competenze acquisite riguardano sia le tecnologie di processo necessarie per l'implementazione di sistemi innovativi o per la riqualificazione di impianti preesistenti, sia la messa a punto di modelli numerici per l'analisi delle problematiche chimico-fisiche che caratterizzano i sistemi di combustione con particolare attenzione al comportamento dinamico degli stessi. Le principali competenze maturate nel corso dell'attività di ricerca svolta nell'ambito di tale area sono:
· Processi integrati di produzione di energia pulita. · Combustione di combustibili di tipo tradizionale e alternativo. · Progettazione di sistemi di combustione a fiamma, · Sistemi di atomizzazione di combustibili liquidi ad alta viscosità
· Tecnologie di combustione di liquidi a bassa formazione di NOx.
· Tecnologie di combustione in condizioni diluite o superdiluite, con o senza preriscaldamento dei reagenti.
· Processi di combustione in sistemi turbogas per la produzione di energia e per la propulsione.
· Metodologie di analisi teorica e simulazione per la valutazione degli effetti della instazionarietà dei processi di combustione, in particolare per le applicazioni delle tecnologie a basso impatto ambientale nei combustori per gli impianti di conversione di energia.

COMBUSTIONE E GASSIFICAZIONE DI COMBUSTIBILI FOSSILI ED ALTERNATIVI. In quest'area di ricerca l'IRC ha sviluppato competenze specifiche riguardo lo sviluppo di tecnologie di combustione di combustibili solidi fossili o sottoprodotti di processi industriali. Le competenze riguardano l'analisi critica e la rivisitazione delle tecnologie di combustione esistenti sia con riferimento alle sempre più restrittive norme sulle emissioni sia con riferimento alla possibilità di utilizzare una più ampia classe di materiali combustibili quali quelli ricavati dai rifiuti civili e/o industriali, le biomasse ecc. così come l'individuazione e la messa a punto di tecnologie innovative che rispondano alla duplice finalità di processi di combustione più efficienti ed una maggiore compatibilità ambientale del processo. In particolare le competenze riguardano: · Combustione e gassificazione di combustibili solidi e liquidi tradizionali ed alternativi: progettazione di combustori e gassificatori a letto fluidizzato bollente e circolante. · Tecnologie di abbattimento di inquinanti: processi di desolforazione in situ con sorbenti calcarei, processi di trattamento del tipo spray-dryer.
· Definizione di protocolli di analisi per la caratterizzazione di materiali combustibili con riferimento ai fenomeni di comminuzione in corso di combustione e/o gassificazione in letti fluidi.
· Sviluppo di tecnologie innovative di trattamento termico di materiali coesivi: combustori a letto fluido vibrati acusticamente, combustori e gassificatori a circolazione interna.
· Determinazione della cinetica delle reazioni di conversione termica/degradazione di materiali combustibili: analisi termica.
· Caratterizzazione microstrutturale di solidi combustibili e non di interesse in processi di combustione: Porosimetria, XRD, TPD, Microscopia elettronica.
· Sviluppo di modelli di simulazione di reattori a letto fluido.

MATERIALI E PROCESSI CATALITICI PER ENERGIA ED AMBIENTE.
Il gruppo ha sviluppato competenze multidisciplinari nel campo della catalisi industriale con particolare riferimento ai processi di trasformazione e impiego di combustibili gassosi; ossidazioni preferenziali, selettive e totali; purificazione di gas emessi da processi di combustione, con particolare riferimento agli ossidi di azoto e incombusti. In tale ambito le competenze acquisite spaziano dalle tecniche di sintesi di catalizzatori, alla messa a punto di reattori strutturati per applicazioni reali, alla caratterizzazione e alla modellazione matematica del processo catalitico in esame. In particolare le competenze riguardano: · Progettazione, sviluppo ed esercizio di reattori catalitici: a letto fisso granulare e strutturato e a letto fluido
· Metodi di preparazione di sistemi catalitici eterogenei in polvere e opportuna ingegnerizzazione in sistemi strutturati (monoliti a nido d'ape, schiume)
· Caratterizzazione chimico-fisica e morfologica dei sistemi catalitici con particolare riguardo allo studio della superficie attraverso l'impiego di molecole-sonda in situ e non
· Studio cinetico e modellazione di reazioni solido-catalizzate; accoppiamento reazioni etero-omogenee
· Studio della stabilità chimica e termica dei sistemi catalitici, dell'invecchiamento in condizioni operative, dell'avvelenamento e della rigenerazione.


RISANAMENTO AMBIENTALE E PREVENZIONE DEI RISCHI DERIVATI DALL'USO DI COMBUSTIBILI E MATERIALI PERICOLOSI.
In tale area l'IRC ha sviluppato competenze specifiche riguardo l'analisi e la previsione di processi in cui avvengono fenomeni incontrollati di esplosione e incendi, e sulla valutazione dei problemi di sicurezza connessi ai processi di interesse industriale. In particolare le competenze riguardano: · l'utilizzo e/o lo sviluppo di strumenti di simulazione numerica in grado di prevedere il comportamento di miscele gassose infiammabili in relazione al rischio connesso al loro impiego nelle attività industriali, e l'evoluzione dei fenomeni esplosivi in grado di generare sovrappressioni pericolose per l'integrità delle strutture coinvolte, sia in sistemi confinati che parzialmente confinati.
· lo sviluppo 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.