Laivamoottoripäästön hiukkasten haihtuvuus komponenteittain

Abstract

Nykypäivinä laivaliikenteessä käytetyt moottorit ovat lähes aina dieselmoottoreita, joiden polttoaineena käytetään esimerkiksi raskasta tai keskiraskasta polttoöljyä. Toisaalta myös uudet ja ympäristöystävällisempinä pidetyt polttoainevaihtoehdot, kuten nesteytetty maakaasu, ovat yleistymässä laivaliikenteelle suunniteltujen tiukentuvien päästörajoitusten vuoksi. Laivaliikenteen pakokaasupäästöjen vähentämiseksi nykytasosta ja esimerkiksi eri polttoaineille sopivien tehokkaiden pakokaasun jälkikäsittelymenetelmien kehittämiseksi on pakokaasupäästön fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet tunnettava hyvin. Tässä työssä tutkittiin laivamoottorista emittoituvien hiukkasten ominaisuuksia eli kokojakaumaa, lukumääräpitoisuutta ja haihtuvuutta kahden erillisen mittauskampanjan osalta. Lisäksi päästöhiukkasten kemiallinen koostumus ja yksityiskohtaisempi haihtuvuus kemiallisin komponenteittain määritettiin ensimmäisen mittauskampanjan aerosolimassaspektrometridatasta. Primääripäästöhiukkasten lisäksi tässä työssä käsitellään ikäännytetyn hiukkaspäästön ominaisuuksia. Ensimmäisessä SEA-EFFECTS BC -projektin osana toteutetussa mittauskampanjassa testimoottori oli 1,6 MW:n diesellaivamoottori. Jälkimmäistä HERE-projektin osana toteutettua mittauskampanjaa varten kyseinen dieselmoottori muunnettiin myös maakaasulla toimivaksi rinnakkaispolttoainemoottoriksi. Ensimmäisessä mittauskampanjassa tutkitut moottorikuormat olivat 25 % ja 75 % sekä jälkimmäisessä 40 % ja 85 %. Tutkitut polttoaineet dieselmoottorille olivat raskas ja keskiraskas polttoöljy, meridiesel ja biopolttoaine. Rinnakkaispolttoainemoottorin polttoaineena käytettiin maakaasua sekä matalalla että korkealla pilottipolttoainemäärällä, kevyttä polttoöljyä ja meridieseliä. Pilottipolttoaine oli kevyttä polttoöljyä. Kummallakin testimoottorilla laivamoottoripäästöstä mitattujen hiukkaskokojakaumien huippukohdat havaittiin alle 100 nm:n hiukkaskoossa sekä primääripäästön että ikäännytetyn päästön tapauksissa kaikissa tutkituissa mittaustilanteissa. Aerosolimassaspektrometrimittausten perusteella sekä dieselmoottorista suoraan emittoituvan primääripäästön että ikäännytetyn päästön havaittiin sisältävän merkittävät massapitoisuudet orgaanisia yhdisteitä ja mustaa hiiltä kaikilla polttoaineilla. Polttoaineen rikkipitoisuuden kasvaessa päästöhiukkasista havaittavan sulfaatin määrä kasvoi. Kaikilla polttoaineilla ikääntyneen päästön hiukkasista mitatut sulfaatin ja nitraatin massapitoisuudet olivat huomattavasti suurempia primääripäästöön verrattuna. Kemiallisista komponenteista orgaanisten yhdisteiden ja sulfaatin haihtuvuus pystyttiin määrittämään hiukkaspäästöstä parhaiten ja yleisesti puolet niiden massapitoisuudesta oli haihtunut alle 150 °C:n lämpötiloissa kaikissa tarkastelutilanteissa, kun vertailukohtana käytettiin 45 °C:ssa havaittuja massapitoisuuksia.