Aerosol Particle Emissions from Natural Gas Engines

Abstract

Pienhiukkaspäästöt esimerkiksi liikenteestä ja energiantuotannosta aiheuttavat maailmanlaajuisesti miljoonia ennenaikaisia kuolemia ja esimerkiksi keuhko- ja verisuonisairauksia. Ilmakehässä hiukkaset voivat toimia pilvien tiivistymisytiminä ja ominaisuuksistaan riippuen joko kiihdyttää tai hidastaa ilmaston lämpenemistä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin maakaasumoottoreiden hiukkaspäästöä ja sen elinkaarta pakoputkesta ilmakehään. Mittaukset suoritettiin kahdella jälkikäteen maakaasukäyttöiseksi asennetulla moottorilla, joista toinen oli henkilöauton ja toinen laivan moottorin kokoluokkaa.

Erittäin pienten, halkaisijaltaan 1–5 nm hiukkasten kokojakauman mittaus osoittautui tärkeäksi. Pienemmällä moottorilla lukumäärältään suuri hiukkaskokojakauman huippu havaittiin 1–5 nm:ssä ja suuremmalla moottorilla mittaus paljasti suurilukuisen haihtumattomien ydinhiukkasten moodin jatkuvan alle 3 nm hiukkaskokoon. Kuumennetussa näytteessä, joka kuvaa raakapakokaasua, kaikki hiukkaset eivät haihtuneet vaan pienenivät muodostaen kolmemoodisen kokojakauman. Pienimpien hiukkasten moodi koostui polttoaineperäisistä alle 10 nm haihtumattomista hiukkasista, keskimmäinen voiteluaineperäisistä keskikooltaan 6–20 nm pallomaisista hiukkasista ja suurin moodi nokihiukkasista ja suuremmista voiteluaineperäisistä hiukkasista. Laimetessaan ja jäähtyessään pakokaasusta muodostui nukleaation tai ydinhiukkasten ympärille tapahtuvan tiivistymisen kautta lukumäärää dominoiva nukleaatiomoodi, jota kuuma katalysaattori kasvatti. Maakaasumoottorien nokipäästö oli hyvin pieni, mutta erityisesti aivan pienimpien hiukkasten lukumääräpäästö ei.

Pakokaasun ikääntymistä ilmakehässä eli sekundääriaerosolin muodostuspotentiaalia tutkittiin luomalla erittäin hapettavat olosuhteet läpivirtausreaktorissa. Mitattu sekundäärisen aerosolin massa ylitti yllätten tuoreen pakokaasun hiukkasmassan jopa yli satakertaisesti ja vastasi diesel- ja bensiinimoottorin sekundäärisen aerosolin muodostuspotentiaalia. Jälkikäsittelylaitteessa käytetty urea oli merkittävä epäorgaanisen (pääosin ammoniumsulfaattia ja -nitraattia) ja moottorin voiteluöljy orgaanisen sekundääriaerosolin lähde.

Väitöskirja tuotti uutta ymmärrystä maakaasumoottorin hiukkaspäästön lukumäärä- pitoisuudesta, kokojakaumasta, haihtuvuudesta, koostumuksesta, morfologiasta, sähkövarauksesta ja alkuperästä, katalysaattorien vaikutuksesta hiukkaspäästöön sekä sekundääriaerosolin muodostumispotentiaalista ja sen koostumuksesta ja haihtuvuusominaisuuksista.

Fine particle pollution emitted from anthropogenic sources such as traffic and energy production causes globally millions of premature deaths annually and, for example, cardiovascular and lung diseases. Airborne particles also contribute to the greenhouse effect either by absorbing or reflecting radiation and by serving as cloud condensation nuclei. In this thesis, the particle emissions from two retrofitted natural gas engines – one the size of a passenger car engine and the other the size of a ship’s engine – from the exhaust line to the aged exhaust in the atmosphere are presented.

The size distribution measurement of tiny particles (1–5 nm) proved to be very important: With the smaller-scale engine, the particle emission was dominated by particles with a number size distribution peak diameter of 1–5 nm. With the larger engine, a high mode of nonvolatile core particles below 3 nm was found. All natural gas exhaust particles did not evaporate in thermal treatment, but only decreased in size, forming a trimodal size distribution that comprised a fuel-originated core mode with <10 nm particles, a lubricating-oil-originated core mode with spherical particles with a mean diameter of 6–20 nm, and a third mode that consisted of soot agglomerates and larger lubricating oil particles. In the dilution process, which mimicked the real-world fresh emission, a nucleation mode formed by nucleation and by condensation onto the core particles. The nucleation mode dominated the particle population, and its number concentration was further increased by a hot catalyst. Soot emission from the natural gas engines was small, but the particle number emission of the tiniest particles was not.

A flow-through reactor simulating the atmospheric photo-oxidation of several days was utilized to study the secondary aerosol formation potential of the exhaust. The measured formation potential of secondary aerosol mass was substantial, 1-2 magnitudes larger than the fresh exhaust particle mass and at a similar level to the secondary aerosol formation potential of clean diesel or gasoline engines. It was concluded that the urea used in the exhaust after-treatment system was the main source for secondary inorganic (mainly ammonium sulfate and ammonium nitrate) and the lubricating oil for the secondary organic aerosol mass.

This thesis produced a novel understanding of the number concentration, size distribution, composition, volatility, morphology, electric charge, and origin of particle emissions from natural gas engines and the effect of catalysts on the emissions. Also, new knowledge on the secondary aerosol formation potential of natural gas engine exhaust and its composition and volatility characteristics was obtained.