Tässä Pro Gradu -tutkielmassa pyrittiin luomaan kokonaisvaltainen katsaus soihdutukseen kirjallisuuskatsauksessa, ja soihdutuksessa vapautuvia nokipäästöjä sekä päästöihin vaikuttavia tekijöitä tutkittiin tarkemmin laboratoriokokeissa. Laboratoriokokeiden tärkeimmät havainnot koskivat nokipäästöihin vaikuttavia tekijöitä. Kokeissa havaittiin selkeä yhteys polttoaineen koostumuksen ja hiukkaspäästöjen välillä, ja sekä hiukkas- että nokipäästöt olivat sitä suurem-mat, mitä korkeampi lämpöarvo polttoaineella oli. Nokipäästöjen ominaisuudet olivat kuitenkin vähemmän riippuvaisia polttoaineesta kuin palamisolosuhteista, ja ilmakertoimen ja noen rakenteellisten sekä optisten ominaisuuksien välillä havaittiin selkeä yhteys. Matala ilma-kerroin kasvatti noen kokonaisabsorptiota sekä absorption aallonpituusriippuvaisuutta kuvaa-vaa Ångströmin eksponenttia, ja näkyi SP-AMS:llä mitatussa ionifragmenttikoostumuksessa suurempien fragmenttien osuuden kasvamisena. Suuremmista ionifragmenteista koostuvan luokan kasvu on aiemmissa tutkimuksissa yhdistetty kehittymättömään nokeen.
Kirjallisuuskatsauksessa selvitettiin muun muassa soihdutuksen maailmanlaajuisia noki-päästöjä, päästöjen kehitystä sekä päästöarvioiden kattavuutta. Parhaan arvion mukaan soihdu-tuksen päästöt voivat aiheuttaa lähes 2 % ihmisperäisestä ilmastoa lämmittävästä säteilypakot-teesta, eikä soihdutuksesta peräisin olevia nokipäästöjä ole kansainvälisistä ohjelmista huolimatta saatu laskemaan. Eri arvioiden välillä on kuitenkin kertaluokan suuruisia eroja, eivätkä kaikki päästöarviomallit ota huomioon esimerkiksi purkauskaasun koostumusta, joka vaikuttaa merkittävästi soihdutuksesta vapautuviin nokipäästöihin. Osa yleisesti käytetyistä päästöarvioista perustuu mittauksiin sellaisilla kaasuilla, jotka vastaavat huonosti todellisissa tuotantotilanteissa poltettuja purkauskaasuja. Päästöarvioihin ja niiden perustana olevaan taus-tatietoon tarvitaankin edelleen tarkennuksia.
Laboratoriokokeissa havainnoitiin myös ilmakertoimen vaikutusta noen termis-optisesti määritettyyn koostumukseen, ja matala ilmakerroin kasvatti OC:n osuutta kokonaishiilestä.
Lisäksi OC:n ja TC:n suhde vaikutti noen optisiin ominaisuuksiin niin, että OC:n suuri osuus kasvatti sekä AAE:ta että MACBC:tä
SP-AMS:n mittaaman pienimmän ionifragmenttiluokan (lowC) havaittiin vastaavan hyvin optisesti mitattua eBC:tä ja termis-optisesti määritettyä EC:tä. Suuremmista ionifragmenteista koostuvan largeC-luokan havaittiin vaikuttavan noen optisiin ominaisuuksiin, ja largeC-luokan ja OC:n välillä havaittiin yhteys.
Laboratoriokokeiden perusteella nokipäästöille laskettiin lämpöarvon mukaan muuttuva pääs-tökerroinfunktio, 𝐸𝐹𝐵𝐶 = 0,147 g/MJ × 𝐻𝐻𝑉 − 8,9958. Päiväkohtaisesta pitoisuusvaihte-lusta ja palamisolosuhteiden vaikutuksesta johtuen päästökerroinfunktion määrittämiseen sisäl-tyi merkittäviä epätarkkuutta aiheuttavia tekijöitä, joten päästökerroinfunktio on suuntaa-antava. Polttoaineen lämpöarvolla oli kuitenkin merkittävä vaikutus noen päästökertoimeen, ja soihdutuksen nokipäästöjä arvioitaessa olisi tärkeää huomioida soihdutettujen purkauskaasujen ominaisuudet.
Tässä työssä saadut tulokset vahvistavat käsitystä polttoaineen lämpöarvon vaikutuksesta nokipäästöihin, ja tämä on merkittävä havainto maailmanlaajuisten soihdutuksesta peräisin ole-vien nokipäästöjen arvioinnin kannalta. Poltettaole-vien kaasujen ominaisuudet on otettava huomi-oon, jotta soihdutuksen nokipäästöistä voidaan tehdä paikkansapitäviä arvioita. Soihdutus on merkittävä ilmastoa lämmittävän mustan hiilen lähde, ja nykyisin käytetyt päästökertoimet eivät ole riittävän tarkkoja arvioimaan soihdutuksen mustahiilipäästöjä. Myös kokeissa havaittu yhteys palamisolosuhteiden ja nokipäästöjen optisten ominaisuuksien välillä on ilmaston-muutoksen kannalta merkittävä, ja soihdutustekniikan vaikutusta palamiseen ja sitä kautta nokipäästöjen optisiin ominaisuuksiin tulisi selvittää tarkemmin.
LÄHDELUETTELO
Allen, T., Torres, V. 2011. TCEQ 2010 Flare Study Final Report. The University of Texas at Austin, The Center for Energy and Environmental Resources. Austin, Texas.
Amann, M., Bertok I., Borken-Kleefeld J., Cofala J., Heyes C., Höglund-Isaksson L., Klimont Z., Nguyen B., Posch M., Rafaj P., Sandler R., Schöpp W., Wagnera F., Winiwarter W. 2011.
Cost-effective control of air quality and greenhouse gases in Europe: Modeling and policy applications. Environmental Modelling & Software 26: 1489-1501.
Apicella B., Pré P., Alfè M., Ciajolo A., Gargiulo V., Russo C., Tregrossi A., Deldique D., Rouzaud J. 2015. Soot nanostructure evolution in premixed flames by High Resolution Electron Transmission Microscopy (HRTEM). Proceedings of the Combustion Institute 35:
1895–1902.
Barthazy E., Stetzer O., Derungs C., Saathoff H., Lohman U. 2006. Water Uptake of Soot Particles Emitted From A Jing-Cast Soot Generator. 12th Conference on Cloud Physics, and 12th Conference on Atmospheric Radiation.
Bejaoui, S., Batut S., Therssen E., Lamoureux N., Desgroux P., Liu F. 2015. Measurements and modeling of laser-induced incandescence of soot at different heights in a flat premixed flame. Applied Physics B 118: 449-169.
Bond T.,Bergstrom R. 2006. Light Absorption by Carbonaceous Particles: An Investigative Review. Aerosol Science and Technology 40: 27-67.
Bond T., Bhardwaj E., Dong R., Jogani R., Jung S., Roden C., Streets D., Trautmann N. 2007.
Historical emissions of black and organic carbon aerosol from energy‐related combustion, 1850–2000, Global Biogeochemical Cycles 21: GB2018.
Bond T., Doherty S., Fahey D., Forster P., Berntsen T., DeAngelo B., Flanner M., Ghan S., Kärcher B., Koch D., Kinne S., Kondo Y., Quinn P., Sarofim M., Schultz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S., Hopke P., Jacobson M., Kaiser J., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J., Shindell D., Storelvmo T., Warren S., Zender C. 2013.
Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 118: 5380-5552.
Camacho J., Tao Y., Wang H. 2015. Kinetics of nascent soot oxidation by molecular oxygen in a flow reactor. Proceedings of the Combustion Institute 35: 1887–1894.
CAPP. 2014. A Recommended Approach to Completing the National Pollutant Release Inventory (NPRI) for the Upstream Oil and Gas Industry. Canadian Association of Petroleum Producers. Calgary, Alberta, Canada.
Castiñeira D., Edgar T. 2006. CFD for Simulation of Steam-Assisted and Air-Assisted Flare Combustion Systems. Energy & Fuels 20: 1044-1056.
Cavalli F., Viana M., Yttri K., Genberg J., Putaud J.-P. 2010. Toward a standardised thermal-optical protocol for measuring atmospheric organic and elemental carbon: the EUSAAR protocol. Atmospheric Measurement Techniques 3: 79-89.
Conrad B., Johnson M. 2017. Field Measurements of Black Carbon Yields from Gas Flaring.
Environmental Science & Technology 51: 1893-1900.
De Falco G., Sirignano M., Commodo M., Merotto L., Migliorini F., Dondè R., De Iuliis S., Minutolo P., D'Anna A. 2018. Experimental and numerical study of soot formation and evolution in co-flow laminar partially premixed flames. Fuel 220: 396-402.
Decarlo, P., Kimmel J., Trimborn A., Northway M. 2006. Field-Deployable, High-Resolution, Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer. Analytical Chemistry 78: 8281-8289.
DRI. 2005. DRI standard operating procedure. DRI Model 2001 Thermal/Optical Carbon Analysis (TOR/TOT) of Aerosol Filter Samples – Method IMPROVE_A. Desert Research Institute, Reno, Nevada.
Drinovec L., Močnik G., Zotter, P., Prévôt, A., Ruckstuhl C., Coz E., Rupakheti M., Sciare J., Müller T., Wiedensohler A., Hansen, A. 2015. The "dual-spot" Aethalometer: an improved measurement of aerosol black carbon with real-time loading compensation. Atmospheric Measurement Techniques 8: 1965-1979.
Durdina L., Lobo P., Trueblood M., Black E., Achterberg S., Hagen D., Brem B., Wang J.
2016. Response of real-time black carbon mass instruments to mini-CAST soot. Aerosol Science and Technology 50: 906-918
Elvidge C., Bazilian M., Zhizhin M., Ghosh T., Baugh K., Hsu F.-C. 2018. The potential role of natural gas flaring in meeting greenhouse gas mitigation targets. Energy Strategy Reviews 20: 156-162.
Fawole O., Cai X.-M., MacKenzie A. 2016. Gas flaring and resultant air pollution: A review focusing on black carbon. Environmental Pollution 216: 182-197.
Green D., Fuller G., Barratt B. 2001. Evaluation of TEOM TM ‘correction factors’ for assessing the EU Stage 1 limit values for PM10. Atmospheric Environment 35: 2589-2593.
Hinds, W.C. 1999. Aerosol Technology, Properties, Behaviour, and Measurement of Airborne Particles. John Wiley & Sons Inc., New York.
International Agency for Research on Cancer 2012. IARC: Diesel Engine Exhaust Carcinogenic. Press Release no 213
IPCC, Stocker T., Qin D., Plattner G.-K., Tignor M., Allen S., Boschung J., Nauels A., Xia Y., Bex V., Midgley P. (toim.). 2013. Climate Change 2013: The Physical Science Basis.
Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
Janssen N., Hoek G., Simic-Lawson M., Fischer P., van Bree L., ten Brink H., Keuken M., Atkinson R., Anderson H., Brunekreef B., Cassee F. 2011. Black Carbon as an Additional Indicator of the Adverse Health Effects of Airborne Particles Compared with PM10 and PM2.5. Environmental Health Perspectives 119: 1691-1699.
Johnson M. & Coderre A. 2011a. An Analysis of Flaring and Venting Activity in the Alberta Upstream Oil and Gas Industry. Journal of the Air & Waste Management Association 61:
190-200.
Johnson M., Devillers R., Thomson K. 2011b. Quantitative Field Measurement of Soot Emission from a Large Gas Flare Using Sky-LOSA. Environmental science & technology 45:
345-350.
Kholghy M., Veshkini A., Thomson M. 2016. The core-shell internal nanostructure of soot - A criterion to model soot maturity. Carbon 100: 508-536.
Koch D., Balkanski Y., Bauer S., Easter R., Ferrachat S., Ghan S., Hoose C., Iversen T., Kirkevåg A., Kristjansson J., Liu X., Lohmann U., Menon S., Quaas J., Schulz M., Seland Ø., Takemura T., Yan N. 2011. Soot microphysical effects on liquid clouds, a multi-model investigation. Atmospheric Chemistry and Physics 11: 1051-1064.
Lack D., Cappa C., Cross E., Massoli P., Ahern A., Davidovits P., Onasch T. 2009.
Absorption Enhancement of Coated Absorbing Aerosols: Validation of the Photo-Acoustic Technique for Measuring the Enhancement. Aerosol Science & Technology 43: 1006-1012.
Lack D. & Langridge J. 2013. On the attribution of black and brown carbon light absorption using the Ångström exponent. Atmospheric Chemistry and Physics 13: 10535-10543.
Lack D., Moosmüller H., McMeeking G., Chakrabarty R., Baumgardner, D. 2014.
Characterizing elemental, equivalent black, and refractory black carbon aerosol particles: a review of techniques, their limitations and uncertainties. Analytical and Bioanalytical Chemistry 406: 99-122.
Lautenberger C., de Ris J., Dembsey N., Barnett J., Baum H. 2005. A simplified model for soot formation and oxidation in CFD simulation of non-premixed hydrocarbon flames. Fire Safety Journal 40: 141-176.
Leschowski M., Thomson K., Snelling D., Schultz C., Smallwood G. 2015. Combination of LII and extinction measurements for determination of soot volume fraction and estimation of soot maturity in non‑premixed laminar flames. Applied Physics B 119: 685-696.
Leskinen J., Ihalainen M., Torvela T., Kortelainen M., Lamberg H., Tiitta P., Jakobi G., Grigonyte J., Joutsensaari J., Sippula O., Tissari J., Virtanen A., Zimmermann R., Jokiniemi J.
2014. Effective Density and Morphology of Particles Emitted from Small-Scale Combustion of Various Wood Fuels. Environmental science & technology 48: 13298-13306.
Li J., von Salzen K., Peng Y., Zhang H., Liang X.-Z. 2013. Evaluation of black carbon semi-direct radiative effect in a climate model. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 118:
4715–4728.
Liu S., Aiken A., Gorkowski K., Dubey M., Cappa C., Williams L., Herndon S., Massoli P., Fortner E., Chhabra P., Brooks W., Onasch T., Jayne J., Worsnop D., China S., Sharma N., Mazzoleni C., Xu L., Ng N., Liu D., Allan J., Lee J., Fleming Z., Mohr C., Zotter P., Szidat S., Prévôt A. 2015.Enhanced light absorption by mixed source black and brown carbon particles in UK winter. Nature Communications 6: 8435.
Lyyränen J., Jokiniemi J., Kauppinen E., Backman U., Vesala H. 2004. Comparison of Different Dilution Methods for Measuring Diesel Particle Emissions. Aerosol Science and Technology, 38: 12-23.
Malmborg V., Eriksson A., Török S., Zhang Y., Kling K., Martinsson J., Fortner E., Gren L., Kook S., Onasch T., Bengtsson P.-E., Pagels J. 2019. Relating aerosol mass spectra to
composition and nanostructure of soot particles. Carbon 142: 535-546.
Maricq M. 2014. Examining the Relationship Between Black Carbon and Soot in Flames and Engine Exhaust. Aerosol Science and Technology, 48: 620-629.
McEwen J. & Johnson M. 2012. Black carbon particulate matter emission factors for
buoyancy-driven associated gas flares. Journal of the Air & Waste Management Association 62: 307-321.
McMurry P. 2000. The History of Condensation Nucleus Counters. Aerosol Science &
Technology, 33: 297-322.
Moosmüller H., Chakrabarty R., Ehlers K., Arnott W. 2011. Absorption Ångström
coefficient, brown carbon, and aerosols: basic concepts, bulk matter, and spherical particles.
Atmospheric Chemistry and Physics 11: 1217-1225.
Morawska L., Johnson G., Ristovski Z., Agranovski V. 1999. Relation between particle mass and number for submicrometer airborne particles. Atmospheric Environment 33: 1983–1990.
Moteki N. & Kondo Y. 2010. Dependence of Laser-Induced Incandescence on Physical Properties of Black Carbon Aerosols: Measurements and Theoretical Interpretation. Aerosol Science and Technology, 44: 663-675.
Myhre G. & Samset B. 2015. Standard climate models radiation codes underestimate black carbon radiative forcing. Atmospheric Chemistry and Physics 15: 2883–2888.
Niranjan R. & Thakur A. 2017. The Toxicological Mechanisms of Environmental Soot (Black Carbon) and Carbon Black: Focus on Oxidative Stress and Inflammatory Pathways. Frontiers in Immunology 8: 763.
Onasch T., Trimborn A., Fortner E., Jayne J., Kok G., Williams L., Davidovits P. Worsnop D.
2012. Soot Particle Aerosol Mass Spectrometer: Development, Validation, and Initial Application. Aerosol Science and Technology 46: 804-817.
Onasch T., Fortner E., Trimborn A., Lambe A., Tiwari A., Marr L., Corbin J., Mensah A., Williams L., Davidovits P., Worsnop D. 2015. Investigations of SP-AMS Carbon Ion Distributions as a Function of Refractory Black Carbon Particle Type. Aerosol Science and Technology 49: 409-422.
Patashnick H. & Rupprecht E. 1991. Continuous PM-10 Measurements Using the Tapered Element Oscillating Microbalance. Journal of the Air & Waste Management Association 41:
1079-1083.
Pederstad A., Smith J., Jackson R., Saunier S., Holm T. 2016. Assessment of flare strategies, techniques for reduction of flaring and associated emissions, emission factors and methods for determination of emissions to air from flaring. Final report for the Norwegian Environmental Agency. Carbon Limits AS, Olso.
Petzold A., Ogren J., Fiebig M., Laj P., Li S.-M., Baltensperger U., Holzer-Popp T., Kinne S., Pappalardo G., Sugimoto N., Wehrli C., Wiedensohler A., Zhang X.-Y. 2013.
Recommendations for reporting "black carbon" measurements. Atmospheric Chemistry and Physics 13: 8365-8379.
Rajesh T. & Ramachandran S. 2018. Black carbon aerosol mass concentration, absorption and single scattering albedo from single and dual spot aethalometers: Radiative implications.
Journal of Aerosol Science 119: 77–90.
Sandradewi J, Prévôt A., Szidat S., Perron N., Alfarra N., Lanz V., Weingartner E.,
Baltensperger U. 2008. Using Aerosol Light Absorption Measurements for the Quantitative Determination of Wood Burning and Traffic Emission Contributions to Particulate Matter.
Environmental Science & Technology 42: 3316-3323.
Schnaiter M., Gimmler M., Llamas I., Linke C., Jäger C., Mutschke H. 2006. Strong spectral dependence of light absorption by organic carbon particles formed by propane combustion.
Atmospheric Chemistry and Physics 6: 2981-2990.
Seinfeld J. & Pandis, S. 2016. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change. John Wiley & Sons, Hoboken
Stohl A., Klimont Z., Eckhardt S., Kupiainen K., Shevchenko V., Kopeikin V., Novigatsky A.
2013. Black carbon in the Arctic: the underestimated role of gas flaring and residential combustion emissions. Atmospheric Chemistry and Physics 13: 8833-8855.
Strosher M. 2000. Characterization of Emissions from Diffusion Flare Systems. Journal of the Air & Waste Management Association 50: 1723-1733.
Tasoglou A., Saliba G., Subramanian R., Pandis S. 2017. Absorption of chemically aged biomass burning carbonaceous aerosol. Journal of Aerosol Science 113: 141–152.
Tiitta P., Leskinen A., Hao L., Yli-Pirilä P., Kortelainen M., Grigonyte J., Tissari J., Lamberg H., Hartikainen A., Kuuspalo K., Kortelainen A.-M., Virtanen A., Lehtinen K, Komppula M., Pieber S., Prévôt A., Onasch T., Worsnop D., Czech H., Zimmermann R., Jokiniemi J., Sippula O. 2016. Transformation of logwood combustion emissions in a smog chamber:
formation of secondary organic aerosol and changes in the primary organic aerosol upon daytime and nighttime aging. Atmospheric Chemistry and Physics 16: 13251-13269.
Tissari J., Hytönen K., Lyyränen J., Jokiniemi J. 2007. A novel field measurement method for determining fine particle and gas emissions from residential wood combustion. Atmospheric Environment 41: 8330–8344.
Török S., Malmborg V., Simonsson J., Eriksson A., Martinsson J., Mannazhi M., Pagels J., Bengtsson P.-E. 2018. Investigation of the absorption Ångström exponent and its relation to physicochemical properties for mini-CAST soot. Aerosol Science and Technology 52: 757-767.
USEPA, 1995. AP 42-Compilation of Air Pollutant Emission Factors. Section 13.5: Industrial Flares. U.S. Environmental Protection Agency, Office of Air quality planning and standards, Research Triangle Park, NC.
Vander Wal R. & Tomasek A. 2003. Soot oxidation: dependence upon initial nanostructure.
Combustion and Flame 134: 1–9.
Virkkula A., Mäkelä T., Hillamo R., Yli-Tuomi T., Hirsikko A., Hämeri K., Koponen I. 2007.
A Simple Procedure for Correcting Loading Effects of Aethalometer Data. Journal of the Air
& Waste Management Association 57: 1214-1222.
Wang H. 2011. Formation of nascent soot and other condensed-phase materials in flames.
Proceedings of the Combustion Institute 33: 41–67.
Wang S. & Flagan R. 1990. Scanning Electrical Mobility Spectrometer. Aerosol Science and Technology 13: 230-240.
Wang X., Heald C., Sedlacek A., de Sá S., Martin S., Alexander M., Watson T., Aiken A., Springston S., Artaxo P. 2016. Deriving brown carbon from multiwavelength absorption measurements: method and application to AERONET and Aethalometer observations.
Atmospheric Chemistry and Physics 16: 12733-12752