Polttoaineen vaikutus laivamoottorin pienhiukkaspäästön fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin
Kuittinen, Niina (2016)
Kuittinen, Niina
2016
Ympäristö- ja energiatekniikan koulutusohjelma
Luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2016-06-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605314203
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201605314203
Tiivistelmä
Laivojen dieselmoottorit muodostavat merkittävän hiukkaspäästöjen lähteen. Syntyvien pienhiukkasten on osoitettu huonontavan ilmanlaatua rannikkoalueilla ja mustaa hiiltä sisältävät hiukkaset voivat aiheuttaa paikallista lämpenemistä arktisella alueella. MARPOL-sopimus rajoittaa laivojen kaasumaisia päästöjä ja myös mustan hiilen päästöjen rajoittamista harkitaan. Rajoitukset vaativat laivanomistajia käyttämään vähärikkisempiä polttoaineita tai savukaasun puhdistusmenetelmiä.
Tässä diplomityössä tutkittiin polttoaineen vaikutusta laivamoottorin päästöhiukkasten lukumäärään ja ominaisuuksiin. Mittaukset tehtiin laivakäyttöön suunnitellulla 1,6 MW dieselmoottorilla laboratorio-olosuhteissa. Tutkitut polttoaineet olivat raskas ja keskiraskas polttoöljy, meridiesel sekä vähärikkinen meridieselin ja kasviöljyn seos. Työssä määritettiin syntyvien hiukkasten koko ja lukumäärä sekä hiukkasmoodikohtaiset päästökertoimet kullekin polttoaineelle. Lisäksi tutkittiin hiukkasten haihtuvuutta, hygroskooppisuutta sekä kemiallista koostumusta. Työssä kuvatun mittauskampanjan pääasiallisena tarkoituksena oli mustan hiilen mittausmenetelmien arviointi osana SEA-EFFECTS BC -projektia ja tulokset mitattujen hiukkasten lukumäärästä ja ominaisuuksista voivat auttaa selittämään eroja mittausmenetelmien välillä. Lisäksi ne antavat viitteitä laivamoottorien päästöhiukkasten lukumäärästä ja käyttäytymisestä ilmakehässä.
Laivamoottorista syntyvien hiukkaspitoisuuksien havaittiin olevan korkeimmillaan ultrapienille, alle 100 nm hiukkasille. Tutkitusta polttoaineesta riippuen lukumääräkokojakaumissa nähtiin 2–3 hiukkasmoodia ja haihtuvuustarkastelu osoitti, että minkään moodin hiukkaset eivät ole kokonaan haihtuvia 265 °C lämpötilassa. Määritetyt kokonaishiukkaspäästökertoimet vaihtelivat välillä 1,16–4,32 × 1015 #/kWh. Hygroskooppisuusmittausten perusteella sekä kuorma että käytetty polttoaine vaikuttavat tutkittujen hiukkasten taipumukseen kasvaa kosteissa olosuhteissa. Marine diesel engines constitute a significant source of particulate emissions. The fine particles from ships have been shown to impair air quality in coastal regions and particles containing black carbon could enhance local warming in the Arctic. MARPOL convention sets limits for the gaseous emissions from ships, and limit for black carbon is anticipated. Regulations demand ship owners to switch to alternative fuels with lower sulphur content or to introduce abatement technologies.
The aim of this thesis was to study the effect of fuel on the number and characteristics of particles emitted from ship engine. Measurements were carried out with 1.6 MW marine diesel engine operated in laboratory conditions. The fuels tested were heavy and intermediate fuel oil, marine diesel oil and a blend of marine diesel oil and vegetable oil. Particle size and number were measured and modal particle emission factors calculated for each of the tested fuels. Volatility, hygroscopicity and chemical composition of the particles were also studied. The main aim of the campaign part of the project SEA-EFFECTS BC, was to evaluate measurement methods for black carbon. The number and particle characteristics presented here could partly explain differences in BC measurement methods as well as estimate the real world emissions from ships.
Highest number concentrations were measured for ultrafine particles under 100 nm in size. The number size distributions observed were bi- or trimodal depending on the fuel in question. The particles seem to include considerable amount of volatile condensates but none of the observed particle modes did fully evaporate in 265 °C. The total number emission factors determined in this study range from 1.16 to 4.32 × 1015 #/kWh. The hygroscopicity measurements indicate that both fuel and the engine load influence the aptitude of the particles to grow in humid conditions.
Tässä diplomityössä tutkittiin polttoaineen vaikutusta laivamoottorin päästöhiukkasten lukumäärään ja ominaisuuksiin. Mittaukset tehtiin laivakäyttöön suunnitellulla 1,6 MW dieselmoottorilla laboratorio-olosuhteissa. Tutkitut polttoaineet olivat raskas ja keskiraskas polttoöljy, meridiesel sekä vähärikkinen meridieselin ja kasviöljyn seos. Työssä määritettiin syntyvien hiukkasten koko ja lukumäärä sekä hiukkasmoodikohtaiset päästökertoimet kullekin polttoaineelle. Lisäksi tutkittiin hiukkasten haihtuvuutta, hygroskooppisuutta sekä kemiallista koostumusta. Työssä kuvatun mittauskampanjan pääasiallisena tarkoituksena oli mustan hiilen mittausmenetelmien arviointi osana SEA-EFFECTS BC -projektia ja tulokset mitattujen hiukkasten lukumäärästä ja ominaisuuksista voivat auttaa selittämään eroja mittausmenetelmien välillä. Lisäksi ne antavat viitteitä laivamoottorien päästöhiukkasten lukumäärästä ja käyttäytymisestä ilmakehässä.
Laivamoottorista syntyvien hiukkaspitoisuuksien havaittiin olevan korkeimmillaan ultrapienille, alle 100 nm hiukkasille. Tutkitusta polttoaineesta riippuen lukumääräkokojakaumissa nähtiin 2–3 hiukkasmoodia ja haihtuvuustarkastelu osoitti, että minkään moodin hiukkaset eivät ole kokonaan haihtuvia 265 °C lämpötilassa. Määritetyt kokonaishiukkaspäästökertoimet vaihtelivat välillä 1,16–4,32 × 1015 #/kWh. Hygroskooppisuusmittausten perusteella sekä kuorma että käytetty polttoaine vaikuttavat tutkittujen hiukkasten taipumukseen kasvaa kosteissa olosuhteissa.
The aim of this thesis was to study the effect of fuel on the number and characteristics of particles emitted from ship engine. Measurements were carried out with 1.6 MW marine diesel engine operated in laboratory conditions. The fuels tested were heavy and intermediate fuel oil, marine diesel oil and a blend of marine diesel oil and vegetable oil. Particle size and number were measured and modal particle emission factors calculated for each of the tested fuels. Volatility, hygroscopicity and chemical composition of the particles were also studied. The main aim of the campaign part of the project SEA-EFFECTS BC, was to evaluate measurement methods for black carbon. The number and particle characteristics presented here could partly explain differences in BC measurement methods as well as estimate the real world emissions from ships.
Highest number concentrations were measured for ultrafine particles under 100 nm in size. The number size distributions observed were bi- or trimodal depending on the fuel in question. The particles seem to include considerable amount of volatile condensates but none of the observed particle modes did fully evaporate in 265 °C. The total number emission factors determined in this study range from 1.16 to 4.32 × 1015 #/kWh. The hygroscopicity measurements indicate that both fuel and the engine load influence the aptitude of the particles to grow in humid conditions.