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Atmosfere potenzialmente esplosive. Influenza della pressione di produzione
del biometano sul grado di diluizione

Il biometano, prodotto mediante l'upgrading del biogas, può essere considerato una valida alternativa ai combustibili fossili. Uno dei principali pericoli, associati con la sua produzione, è la possibile formazione di atmosfere potenzialmente esplosive. L'articolo illustra i risultati di uno studio focalizzato sulla valutazione dell'influenza della pressione di produzione del biometano sul grado di diluizione, il quale è un parametro fondamentale per classificare le aree, in cui si potrebbero formare delle miscele esplosive.

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La Termotecnica Aprile 2019

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Tecnica Combustibili & Sicurezza 58 LA TERMOTECNICA APRILE 2019 INTRODUZIONE
Le disposizioni, impartite dall''Unione Europea, relativamente alla co-
pertura del fabbisogno energetico mediante l''utilizzo di fonti rinnovabi-
li, possono sicuramente favorire la diffusione di impianti di produzione
di biometano anche nel nostro Paese. Tale biocombustibile può essere
ricavato dall''upgrading del biogas, sfruttando le materie prime (forsu,
reflui zootecnici, fanghi industriali, etc.) necessarie per la digestione
anaerobica. Il biometano ha trovato facilmente impiego nel settore
dell''autotrazione, poiché può essere utilizzato dagli stessi veicoli, che so-
no alimentati da metano di origine fossile. Un potenziale pericolo, con-
nesso con l''esercizio degli insediamenti, dedicati alla sua produzione, ri-
siede nella possibile formazione di atmosfere potenzialmente esplosive,
che possono essere generate da rilasci accidentali da vari componenti
(flange, valvole, compressori, etc.). Gli scenari più pericolosi sono ascri-
vibili ai luoghi al chiuso, in cui la ventilazione recita un ruolo cruciale
al fine di diluire in tempi estremamente rapidi la concentrazione in aria
del biometano, in modo che possa essere più bassa del limite inferiore
di infiammabilità. Un parametro fondamentale per la classificazione
delle aree di lavoro, con possibile presenza di miscele potenzialmente
esplosive, è il grado di diluizione, introdotto dalla nuova Norma CEI EN
60079-10-1 (o Norma CEI 31-87), in vigore dal 14 Ottobre 2018. Il
presente lavoro è stato focalizzato sulla valutazione dell''influenza della
pressione del biometano, in uscita dall''unità di compressione, sul grado
di diluizione. In questo studio, utilizzando le indicazioni riportate nella
Norma CEI 31-87, è stato stabilito, al variare della pressione di produ-
zione, il richiesto valore di soglia della velocità dell''aria di ventilazione,
il quale consente di ottimizzare il grado di diluizione. IL GRADO DI DILUIZIONE
La Norma CEI 31-87 richiede la determinazione di tre parametri
per poter stabilire se una sorgente di rilascio è in grado di generare
una zona pericolosa a causa di atmosfere potenzialmente esplosive,
provocate dalla presenza di gas infiammabili:
1. grado di emissione della sorgente;
2. disponibilità della ventilazione;
3. grado di diluizione. Mentre la prima grandezza dipende dalle condizioni di esercizio
del componente (potenziale sorgente), le altre due sono dipendenti
dalla velocità del vento (luoghi all''aperto) o dalla ventilazione ar-
tificiale (aree indoor). Il grado di diluzione può essere determinato
mediante l''utilizzo del diagramma, riportato nella suddetta Norma
(figura 1), dopo aver precedentemente calcolato la caratteristica di
emissione W g/(ρg·k·LFL): -W g indica la portata massica rilasciata di biometano (kg/s); - - ρ g rappresenta la densità del biocombustibile fuoriuscito (kg/m 3 ); -k è un coefficiente di sicurezza (parametro adimensionale), va- riabile da 0,5 a 1; -LFL è il limite inferiore di infiammabilità del biometano (4% vol/ vol). Nel presente lavoro, per ricavare W g e ρg, è stata considerata come sorgente di emissione (SE) di biometano il compressore, necessario
per uniformare la pressione del biocombustibile prodotto a quella
della rete di distribuzione. Atmosfere potenzialmente esplosive
Valutazione dell''influenza della pressione di produzione
del biometano sul grado di diluizione Il biometano, prodotto mediante l''upgrading del biogas, può essere considerato una valida alternativa ai combustibili fossili. Uno dei principali
pericoli, associati con la sua produzione, è la possibile formazione di atmosfere potenzialmente esplosive. L''articolo illustra i risultati di uno studio
focalizzato sulla valutazione dell''influenza della pressione di produzione del biometano sul grado di diluizione, il quale è un parametro fondamentale
per classificare le aree, in cui si potrebbero formare delle miscele esplosive. POTENTIALLY EXPLOSIVE ATMOSPHERES: ASSESSMENT OF INFLUENCE OF BIOMETHANE PRODUCTION PRESSURE ON DILUTION DEGREE
Biomethane, produced by the biogas upgrading, can be considered a valid alternative to fossil fuels. One of the main hazards, associated with its
production, is the possible formation of potentially explosive atmospheres. The paper illustrates the results of a study focused on assessment of influence
of biomethane production pressure on dilution degree, which is a fundamental parameter in order to classify areas (workplaces), where explosive
mixtures could occur. Roberto Lauri
INAIL Ricerca, Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti, Prodotti e Insediamenti Antropici di R. Lauri Combustibili & Sicurezza 59 Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2019 IL CASO STUDIO
Il caso studio esaminato è stato focalizzato sulla produzione di bio-
metano attraverso il processo di upgrading del biogas, che utilizza
il lavaggio con acqua pressurizzata per rimuovere l''anidride car-
bonica. Il biocombustibile prodotto viene inviato ad una centrale di
compressione (ambiente indoor) in moda da regolare il suo livello di
pressione in base a quello richiesto dalla rete di distribuzione. Sulla
base dei parametri di esercizio degli impianti in funzione, è stata
fissata una pressione di 4 bar per il biometano uscente dalla colonna
di lavaggio, mentre la pressione (p f) in uscita dal compressore è stata considerata variabile e coincidente con la pressione di rilascio. Per p f sono stati assunti i seguenti valori: 40, 50, 60 e 70 bar. ATMOSFERE POTENZIALMENTE ESPLOSIVE:
GRADO DI EMISSIONE DELLE SORGENTI
La Norma CEI 31-87 definisce i gradi di emissione delle SE: -continuo: un''emissione che avviene frequentemente o per lunghi periodi; -primo: rilascio, che avviene occasionalmente o periodicamente durante il normale esercizio; -secondo: emissione, che non è prevista durante il normale funzionamento e qualora dovesse verificarsi, sarebbe
caratterizzata da una durata estremamente breve. Sulla base di quanto riportato nella Norma è plausibile ritenere
che nell''edificio, in cui è installata la centrale di compressione, non
siano presenti sorgenti di grado continuo, mentre il compressore può
essere classificato come una SE di grado secondo e la sua valvola
di sicurezza, come una SE di primo grado. Nei luoghi al chiuso, per
calcolare W g, relativa ad un''emissione di secondo grado (nel nostro caso si tratta del compressore), la Norma CEI 31-87 indica che devo-
no essere sommate tutte le portate delle emissioni di grado continuo
e quelle di grado primo, ritenute contemporanee, alla portata della
sorgente di secondo grado. LA COMPRESSIONE DEL BIOMETANO
Per la compressione del biometano è stato esaminato un compressore
volumetrico alternativo, caratterizzato dai seguenti parametri: -due stadi di compressione; - - η pol (rendimento politropico) = 0,87. Per quanto riguarda la suddivisione tra i diversi stadi del rapporto
manometrico totale (β), si è ricorso al criterio della compressione inter-
refrigerata uniforme (figura 2), riportando dopo il primo stadio il fluido
sempre alla temperatura iniziale (T i) ed assegnando a ciascuno stadio il medesimo valore del rapporto di compressione (β stadio), pari alla radice n-esima del rapporto totale (dove n è il numero di stadi). Nel caso studio
abbiamo i seguenti valori: β 1=10, β2 = 12,5, β3 = 15 e β4= 17,5. Pertanto i rapporti di compressione degli stadi saranno pari a: - - β stadio1 = 3,2; - - β stadio2 = 3,5; - - β stadio3 = 3,9; - - β stadio4 =4,2. Per calcolare la temperatura finale (T f) del biometano, è stato utilizzato il modello della compressione politropica: In cui per calcolare ɣ = c p/cv sono state usate le formule di Langen: c p (J/kg K) = a + bTi c v (J/kg K) = a''+b Ti I valori di a, b e a'' per il metano sono riportati in tabella 1.
Essendo c p e cv variabili durante la compressione, in quanto la tempera- tura aumenta, è stato inizialmente calcolato il valore di T f, considerando i calori specifici dipendenti solamente da T i. Successivamente sono stati ricalcolati i valori di c p e cv in funzione di Tf ed è stata eseguita una media con quelli riferiti alla temperatura iniziale. A questo punto è
stato ricavato il valore medio di ɣ (ɣ m) ed è stato confrontato con quello determinato, assumendo i calori specifici dipendenti solamente da T i. FIGURA 1 - Valutazione del grado di diluizione FIGURA 2 - Compressione a 2 stadi a (J/kg K) a'' (J/kg K) b (J/kg K2) CH 4 1710 1210 0,276 TABELLA 1 - Coefficienti di Langen (1) (2)
(3) Tecnica Combustibili & Sicurezza 60 LA TERMOTECNICA APRILE 2019 L''analisi condotta è stata fondata sul fatto che, se la differenza emersa
dal confronto, dovesse essere trascurabile, sarebbe lecito utilizzare il
valore di ɣ ricavato con la temperatura iniziale, altrimenti si dovrebbe usare ɣ m per ricalcolare la grandezza Tf. Per ricavare la temperatura di uscita (T v) del biometano dalla valvola di sicurezza, è stata applicata sempre l''equazione 1, in cui, però, si ha β stadio = pt/pint: -p t (bar) è la pressione di taratura della valvola di sicurezza, cioè il valore, che ne determina l''entrata in funzione. Nel caso studio sono
stati assunti, in base al range di p f, i seguenti valori per pt: 45 bar (quando p f = 40 bar) , 55 bar (quando pf = 50 bar), 65 bar (quando p f = 60 bar) e 75 bar (quando pf = 70 bar); -p int (bar) è la pressione del biocombustibile in uscita dal primo stadio di compressione ed assume i valori di 12,8 bar considerando p f = 40 bar, 14 bar se p f = 50 bar, 15,6 bar se pf = 60 bar e 16,8 bar se pf = 70 bar. Per lo studio dell''emissione del biocombustibile gassoso è stato applicato
il modello del gas reale, introducendo il fattore di comprimibilità Z (pa-
rametro adimensionale) sia nell''equazione di stato dei gas che in quella
relativa al calcolo della portata massica rilasciata. Z è stato determinato
con l''ausilio del diagramma riportato in figura 3, in cui T r e pr indicano rispettivamente la temperatura ridotta e la pressione ridotta, ricavabili
dalle seguenti equazioni: Per il biometano si ha T cr (temperatura critica) = 190,6 K e pcr (pressione critica) = 45,6 bar. SORGENTI DI EMISSIONE DI BIOMETANO:
IL COMPRESSORE
Per poter ricavare la portata in massa di biometano, rilasciata dal
compressore alternativo, è necessario stimare l''area del foro (A f) e determinare il regime di efflusso del gas (sonico o subsonico). Il primo
parametro è stato ricavato mediante la tabella, presente nella Norma
CEI 31-87 (figura 4). Per quanto concerne i rilasci da compressori si
precisa che i fori di maggior superficie sono solitamente ascrivibili ai
compressori volumetrici alternativi piuttosto che ai turbocompressori
(radiali e assiali), in quanto nei primi possono verificarsi perdite di fluido
sia dalle tenute che dalle valvole. In questo caso studio è stato ipotizzato
A f = 4 mm 2 . Per valutare il regime di efflusso gassoso si deve calcolare il parametro p sonica, dato dalla seguente equazione: Si ha efflusso sonico, quando la pressione a valle del rilascio (solitamente
si tratta della pressione atmosferica) è inferiore a p sonica, in caso contrario sarà subsonico. In presenza di efflusso sonico la portata emessa può
essere ricavata con la seguente formula: Dove: -C d è il coefficiente di efflusso (parametro adimensionale) = 0,7; -PM g rappresenta il peso molecolare del metano = 16 kg/kmol; -R (costante universale dei gas) = 8314 J/kmol·K. Qualora l''efflusso fosse subsonico, si utilizzerebbe la seguente espres-
sione per determinare M 1: Ai fini della classificazione dei luoghi di lavoro con possibile presenza
di atmosfere potenzialmente esplosive, i compressori sono generalmente
considerati come sorgenti di emissione di secondo grado, cioè il loro
rilascio non è previsto durante il normale funzionamento e qualora
dovesse verificarsi, sarebbe di breve durata. Quando si deve valutare il
grado di diluizione di una SE di secondo grado, presente in un ambiente
chiuso, si deve ricordare che la portata emessa (W g) sarà data dalla somma delle emissioni di grado continuo, di quelle di grado primo, che
possono essere considerate simultanee e di quella di secondo grado.
In questo caso è stato assunto che nella centrale di compressione non
siano presenti SE di grado continuo, mentre deve essere considerata
come sorgente di primo grado la valvola di sicurezza, installata a
protezione del compressore alternativo. RISULTATI E DISCUSSIONE
Si riportano nelle tabelle 2 e 3 i valori ricavati per ɣ durante il processo di compressione del biocombustibile. Essendo trascurabile la differenza FIGURA 3 - Andamento del fattore di comprimibilità (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) Combustibili & Sicurezza 61 Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2019 (è pari allo 0,7%) tra ɣ(T i) e ɣm, si è assunto il valore di ɣ(Ti) per ricavare le portate massiche rilasciate dal compressore e dalla valvola. Si riportano in
tabella 4 i risultati relativi alla compressione del biometano ed alla portata
rilasciata (M 1) dal compressore alternativo, in funzione della pressione finale (p f) del biocombustibile. Essendo l''efflusso del biometano sonico, è stata utilizzata l''equazione 9 per determinare la portata rilasciata. Il
passaggio della pressione da 40 bar a 70 bar determina un consistente
incremento di M 1 (l''aumento percentuale è pari al 58,8%). Anche l''efflusso dalla valvola di sicurezza è risultato sonico, poiché nell''equazione 8 è stato
inserito il valore della pressione di taratura del dispositivo di sicurezza al
posto di p f (pt > pf). Per determinare la portata massima (m 2), scaricata dalla valvola di sicu- rezza, è stata utilizzata la Raccolta E del codice PIVG, la quale riporta la
seguente espressione, riferita ad efflussi sonici: In cui: -K è il coefficiente di efflusso (parametro adimensionale), posto uguale a 0,43; -C è il coefficiente di espansione (parametro adimensionale), ricavabile con la seguente formula (il pedice s, applicato a ɣ e a Z, indica che vanno considerati i parametri termodinamici nelle condizioni di scarico): -A indica l''area minima di passaggio, espressa in cm2 (considerando un diametro di un pollice, essa è pari a 5,1 cm2); FIGURA 4 - Sezioni dei fori di emissione (11) (12) Tecnica Combustibili & Sicurezza 62 LA TERMOTECNICA APRILE 2019 -p s (bar assoluti) è la pressione di sicurezza, dipendente dalla pressione di taratura (p t) della valvola: Sulla base di quanto emerso dalla tabella 3, è stato assunto ɣ s = ɣ (Ti) = 1,39. In tabella 5 si riportano i risultati, relativi alla portata emessa dalla
valvola di sicurezza a protezione del compressore.
Anche in questa circostanza la crescita della pressione determina un
considerevole aumento della grandezza m 2, il cui incremento percentuale si attesta al 57,6%, che risulta estremamente simile a quello, registrato per
M 1. Dai risultati si evince che la portata massica rilasciata dalla valvola è predominante rispetto a quella emessa dal compressore. Ciò dipende prin-
cipalmente dalle diverse entità delle aree di rilascio (A ed A f). Attraverso i valori assunti da M 1 e m2 è stato calcolato il parametro Wg necessario per determinare la caratteristica di emissione (CE). A tal proposito si precisa
che per ricavare quest''ultima grandezza è stata considerata un valore
medio della densità (ρ m) del biometano rilasciato. In tabella 6 sono state indicate con ρ 1 e ρ2, rispettivamente la densità del biocombustibile emesso dal compressore e dal dispositivo di sicurezza.
Nel caso analizzato l''incremento della pressione da 40 a 70 bar ha una
scarsa influenza sulla caratteristica di emissione, dal momento che il suo
incremento percentuale è pari al 3,5%. Ciò discende dal fatto che si instau-
ra una condizione di quasi bilanciamento tra l''aumento del flusso rilasciato
(W g) e quello della densità del biometano (ρm). Infatti l''aumento di Wg è pari al 57,6%, mentre quello di ρ m è pari al 52,8%. Pertanto, utilizzando il diagramma, riportato in figura 1, per stimare il grado di diluizione, si
riscontra un''estrema vicinanza dei punti individuati lungo l''asse delle ascis- se. In particolar modo, ne consegue che il migliore scenario di ventilazione
possibile è quello medio, ottenibile, per tutti e quattro i casi esaminati, con
velocità (u w) dell''aria superiore a 0,2 m/s. CONCLUSIONI
Negli impianti di produzione di biometano, la centrale di compressione
rappresenta l''elemento potenzialmente più pericoloso ai fini della forma-
zione di atmosfere potenzialmente esplosive, generate da rilasci acciden-
tali del suddetto vettore energetico. Infatti, per uniformare la pressione del
biocombustibile al livello della rete di distribuzione è necessario spingere
la compressione a valori, compresi nel range di 50-70 bar e talune volte
anche superiori. Questo comporta un efflusso sonico del gas ed un con-
seguente incremento della portata rilasciata. Risulta, quindi fondamentale
valutare la pressione, alla quale deve essere compresso il biometano, in
modo da regolare la portata di ventilazione e la sua velocità al fine di
garantire un''efficiente e rapida diluizione della miscela potenzialmente
esplosiva. BIBLIOGRAFIA
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5. Lauri R., Grospietro B., Pietrangeli B. ''Esempio di classificazione di aree con atmosfere potenzialmente esplosive generate dall''evapo- Sorgente di emissione Pressione di rilascio (bar) c p (Ti) J/kg K c v (Ti) J/kg K ɣ(T i) c p (Tf) J/kg K c v (Tf) J/kg K c pm J/kg K c vm J/kg K ɣ m Compressore 40 1790,4 1290,4 1,39 1826,6 1326,6 1808,5 1308,5 1,38 50 1790,4 1290,4 1,39 1830 1330 1810,2 1310,2 1,38 60 1790,4 1290,4 1,39 1834,2 1334,2 1812,3 1312,3 1,38 70 1790,4 1290,4 1,39 1837,2 1337,2 1813,8 1313,8 1,38 Sorgente di emissione Pressione di rilascio (bar) c p (Ti) J/kg K c v (Ti) J/kg K ɣ(T i) c p (Tv) J/kg K c v (Tv) J/kg K c pm J/kg K c vm J/kg K ɣ m Valvola 45 1790,4 1290,4 1,39 1830,3 1330,3 1810,3 1310,3 1,38 55 1790,4 1290,4 1,39 1834,7 1334,7 1812,5 1312,5 1,38 65 1790,4 1290,4 1,39 1837,1 1337,1 1813,7 1313,7 1,38 75 1790,4 1290,4 1,39 1838,3 1338,3 1814,7 1314,7 1,38 p f (Pa) T i (K) T f (K) p sonica (Pa) Efflusso T r p r Z M 1 (kg/s) 4000000 291,15 422,4 2121592 sonico 2,2 0,9 0,97 0,017 5000000 291,15 434,7 2651990 sonico 2,3 1,1 0,98 0,02 6000000 291,15 450 3182388 sonico 2,4 1,3 1,01 0,024 7000000 291,15 460,8 3712786 sonico 2,42 1,5 1,012 0,027 TABELLA 2 - Valori di ɣ (rilascio da compressore) TABELLA 4 - Portata di biometano emessa dal compressore TABELLA 3 - Valori di ɣ (rilascio da valvola) (13) Combustibili & Sicurezza 63 Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2019 razione di pozze di biocombustibili: un caso studio'. Atti Convegno
SAFAP (Sicurezza ed affidabilità delle attrezzature in pressione)
28-29 Novembre 2018, Bologna, pagg. 678''687. 6. Molino A., Nanna F., Ding. Y, Bikson B., Braccio G. ''Biomethane production by anaerobic digestion of organic waste'. Fuel, Vol. 103,
pagg. 1003-1009, 2012. 7. Ryckebosch E., Drouillon M., Vervaeeren H. ''Techniques for tran- sformation of biogas to biomethane'. Biomass Bioenergy, Vol. 35,
pagg. 1633''1645, 2011. 8. Scarlat N., Dallemand J.F., Fahl F. ''Biogas: developments and per- spectives in Europe'. Renewable Energy, Vol. 129, pagg. 457-472,
2018. 9. Vidal J. ''Thermodynamics: applications in chemical engineering and petroleum industry', Edizioni Technip, ISBN 2-7108- 0800-5, 2003. p t (Pa) C T v (K) T r p r Z s p s (Pa) m 2 (kg/s) 4500000 0,68 435,9 2,22 0,87 0,98 5050000 1,44 5500000 0,68 451,7 2,28 1,09 0,99 6150000 1,71 6500000 0,68 460,3 2,36 1,3 0,99 7250000 1,99 7500000 0,68 464,7 2,42 1,52 1 8350000 2,27 TABELLA 5 - Portata scaricata dalla valvola di sicurezza Pressione di rilascio (bar) ρ 1 (kg/m 3 ) ρ 2 (kg/m 3 ) ρ m (kg/m 3 ) W g (kg/s) CE (m3/s) 40 (compressore) / 45 (valvola) 18,7 20,3 19,5 1,457 3,4 50 (compressore) / 55 (valvola) 22,6 23,2 22,9 1,73 3,43 60 (compressore) / 65 (valvola) 25,6 26,9 26,2 2,014 3,5 70 (compressore) / 75 (valvola) 28,5 31,1 29,8 2,297 3,52 TABELLA 6 - Valori della caratteristica di emissione


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