Põlemisel tekkinud emissioonide mõju õhu kvaliteedile ja kliimale- alates kivisöest lõpetades biokütustega (0)

Tartu Ülikool 
Loodus- ja Tehnoloogiateaduskond 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Põlemisel tekkinud emissioonide mõju õhu kvaliteedile ja kliimale-  
alates kivisöest lõpetades biokütustega 
Kevin  Ambus  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tartu 2013 
Sisukord 
 
1.  Sissejuhatus ......................................................................................................................... 3 
2.  Kütused ning  emissioon  ...................................................................................................... 4 
2.1 
Süsi .............................................................................................................................. 4 
2.2 
Kütteõlid ...................................................................................................................... 5 
2.3 
Bensiin  ......................................................................................................................... 5 
2.4 
Diiselkütus ................................................................................................................... 6 
2.5 
Alkoholil baseeruvad kütused ..................................................................................... 6 
2.6 
Hargnenud ahelaga eeterlisandid ................................................................................. 7 
2.7 
Maagaas ja  veeldatud bensiini gaas  ............................................................................. 7 
2.8 
Biodiisel  ....................................................................................................................... 7 
3. Kokkuvõte .............................................................................................................................. 9 
Kasutatud kirjandus .................................................................................................................. 10 
 
 
2 
 
1.  Sissejuhatus 
 
Antud  referaat  käsitleb   Jeffrey   S.  Gaffney  ja   Nancy   A.  Marley  poolt  loodud   artiklit   „The 
impacts  of  combustion   emissions   on  air   quality   and  climate  –  From   coal   to  biofuels  and 
beyond “.  Artikkel  annab  ülevaate  fossiilsete  kütuste  ja  biokütuste  mõjust  õhu  kvaliteedile, 
inimeste tervisele ning kliimale. Uurimise alla on võetud süsi, kütteõlid, bensiin, diiselkütus, 
metanool ,  etanool,  hargnenud  ahelaga  eeterlisandid  (MTBE  e.   methyl   tertiary-butyl  ether  ja 
ETBE  e.  Ethyl  tertiary-butyl  ether),  maagaas  ja  veeldatud  bensiini   gaas   (LPG  e.  liquefied 
petroleum gas) ning biodiisel. 
 
 
 
3 
 
2.  Kütused ning emissioon 
 
Vaatluse all on põlemisel kasutatavad kütused, mida kasutatakse  elektrienergia  saamiseks või 
transpordivahendites,  ning  nende  põlemise  käigus   tekkivad   heitmed.  Saastajad  jagatakse 
kolme rühma:  kriitilised  saastajad (nt CO),  otsesed  saastajad (nt O3) ja  kaudsed  saastajad (nt. 
O3 tekkereaktsioonis esinevad algühendid). Lisaks jagatakse  reostusained  kaheks- primaarsed 
ning  sekundaarsed  reostusained.  Primaarsed  reostusained  on  ained,  mis  satuvad  atmosfääri 
koheselt  pärast  põlemisreaktsiooni.  Sekundaarseteks  reostusaineteks  loetakse  aineid,  mis 
tekivad atmosfääris (mitme) reaktsiooni käigus. 
 
 
2.1 Süsi 
 
Süsi on fossiilne kütus, mis tekib soistes ökosüsteemides, kus taimejäänused on  muda  ja vee 
poolt  kaitstud  õhu  ja  biolagunemise  eest.  Söe  tekkeprotsessi  käigus  toimuvad  mitmed 
füüsikalised, biokeemilised ja keemilised muutused, mis vähendavad vee ja hapniku sisaldust. 
Söe  keemiline  struktuur  koosneb  erinevate  funktsionaalrühmadega  benseenidest.  Mida 
rohkem sisaldab süsi aromaatseid ühendeid ja ketoone, seda vanem on süsi. 
 
Peamiselt kasutatavad söetüübid on põlevkivi, kivisüsi,  turvas , ligniit, antratsiit ja grafiit. Söe 
põletamisel  on  tähtis  jälgida  temperatu
uri.  Kui  temperatuur  on  alla  300 C,  siis  vabanevad 
protsessi  käigus  orgaanilised  ühendid.  Olenevalt  söe  niiskussisaldusest  moodustuvad 
orgaanilistest  ühenditest  uued  ained  tänu  eralduvale   veeaurule .  Kui  põletamisel  on 
temperatuur üle 300°C,  katkevad  alküül- ja eetersidemed ning eralduvad funktsionaalrühmad 
koos mitte-kondenseeruvate gaasidega, nt CO2, H2O, SO2, NO2 ja CH4. 
 
Lisaks  eelnimetatud  ühenditele  kujuneb  ohtlikuks  söe  põlemisel  tekkinud   tuhk ,  mis  edasi 
põledes lendub kerge lendtuhana atmosfääri, olles väga tugev päikesekiirguse hajutaja. Kuigi 
lendtuhka on võimalik filtreerida väga tõhusalt, on õhku paiskuva lendtuha  kogused  suured. 
 
Lendtuhk  
sisaldab: 
15-60% 
ränidioksiidi,  5-35%  alumiinium(III)oksiidi,  4-40% 
raud(III)oksiidi ja 1-40% kaltsiumoksiidi ning MgO, SO3,  Na2O  ja K2O. Lisaks on lendtuhas 
4 
 
veel mitmeid toksilisi aineid, mis kahjustavad hingamisteid, ja radioisotoope, mis põhjustavad 
radioaktiivsust vahemikus 218-293mBq/g. 
 
Söe  põletamisel  tekkiv  NOx  hulk  moodustab  80%  kogu  USA  lämmastiku  ühendite 
emissioonist. Ligi 60% USA-s õhku paisatud SO2-st on põhjustatud söe põletamisest. SO2 ja 
NO2  on  peamisteks  happevihmade  põhjustajateks,  sest  1-6%  atmosfääri  paisatud  SO2-st 
muutub  iga  tund  väävelhappeks  ja  3-6%  NO2  muutub  lämmastikhappeks.  Lisaks  tekib  söe 
põletamisel  suurim  osa  CO2  emissioonist,  seda  seepärast,  et  süsi  sisaldab  kõige  suuremas 
koguses süsinikku võrreldes teiste fossiilsete kütustega. 
 
2.2 Kütteõlid 
 
Kui elektritootmisel kasutatakse sütt umbes 40%, siis kütteõlid moodustavad tervikust kõigest 
3%- seda USA näitel. Kütteõlisid on kahte tüüpi: jääkkütteõllid ning destilleeritud kütteõlid. 
Õlid  jaotatakse  kuue  numbri  skaalale,  kus  1  tähistab  jääkõli  ning  6  destil.  õli  ning  2-5  on 
nende õlide  segud . Destilleeritud õlid on „süütumad“- nad sisaldavad väga väikestes  kogustes  
lämmastikku, tuhka ning väävlit. Neid õlisid kasutatakse peamiselt koduses majapidamises . 
 
Õlide  põlemise  käigus  eralduvad  veel   raskmetallid ,  mis  moodustavad  agregaate  teiste 
eralduvate osakestega. Kõige rohkem eraldub kütteõli põlemisel vanaadiumi u 78 800 μg/g ja 
tsinki  u 30 000 μg/g, lisaks eraldub veel rauda,  pliid , magneesiumi ja  niklit . 99% õlis  olevast  
süsinikust muutub põlemise käigus süsihappegaasiks ja ülejäänud süsinik paiskub atmosfääri 
väikeste   osakestena ,  mis  on  tugevad  päikesekiirguse   neelajad ,  absorbeerides  20-25% 
kiirgusest. 
 
2.3 Bensiin 
 
Bensiini  juures  jälgitakse  enam  vingugaasi  ja  plii  emissiooni.  Vingugaas  on  ohtlik  inimese 
tervisele, kuna kinnitub vere  hemoglobiiniga  ning vähendab seeläbi vere võimet transportida 
hapnikku.  CO koguste vähendamiseks on kasutusel  katalüsaatorid,  mis  oksüdeerivad  ohtliku 
ühendi.  
 
Lisaks tekib bensiini põlemise käigus lämmastiku ühendeid, mis fotokeemiliste reaktsioonide 
käigus  moodustavad  radikaale.  Näiteks  hüdroksüül-  ja  peroksüülradikaale,  mis  põhjustavad 
5 
 
madalamates atmosfäärikihtides osooni teket. Peale osooni  tekib ka mitmeid oksüdante, mis 
reageerides  vääveldioksiidiga  moodustavad  väävlishappe  või  lämmastikdioksiidiga 
lämmastikhappe. Bensiini põlemisel tekib ka mitmeid erinevaid kantserogeensete omadustega 
toksilisi ühendeid, nt benseen ja formaldehüüd. 
 
2.4 Diiselkütus 
 
Diiselkütus  on  destilleeritud  õli  ja  sisaldab  umbes  0,3%  väävlit.  Diiselkütust  aga  ei  peeta 
suureks SO2 saaste tekitajaks. Diiselkütus on peamiselt NOx allikas, tekitades põlemisel kuni 
viis  korda  rohkem  NOx  kui  bensiin.  Seda  seepärast,  et  diiselmootorite  puhul  pihustatakse 
kütus  silindritesse  hiljem  kui  bensiini  puhul,  et  kütus  rõhu  all  koheselt  süttiks,  kuid  sellisel 
viisil ei jõua kütus õhuga seguneda ning põhjustab suuremat heitgaaside hulka. 
 
Diiselmootoritest  eralduv  heitgaas  sisaldab  endas  tavaliselt  30,8%  süsinikku,  19,7% 
orgaanilisi  süsinikuühendeid  ning  1%  väävlit.  Lisaks  eraldub  heitgaasidega  ka  toksilisi 
polüaromaatseid  süsivesinikke,  nt  bensopüreeni,  millel  on  mutageenne  ja   kantserogeenne  
toime. 
 
2.5 Alkoholil baseeruvad kütused 
 
Siia  gruppi  loetakse  peamiselt  etanooli,  metanooli  ja  nende  ainete  bensiini  segusid.  Need 
kütused  on  viimasel  ajal  saanud  rohkem  tähelepanu,  sest  neid  peetakse  heaks  alternatiiviks 
teistele ohtlikumatele kütustele. Probleemiks on aga alkoholi aurud, mis tekivad aldehüütidest 
põlemise käigus. 
 
Metanooli  kasutatakse  bensiini  alternatiivina,  sest  seda  on  odav  toota.  Kasutades  toorainena 
metaani  või  sütt,  redutseeridakse  vesiniku  abil  CO.  Mootori  ohutu  töötamise  tagamiseks 
segatakse  alkoholil baseeruvaid  kütuseid  bensiiniga,  mistõttu  väheneb põlemisel  orgaaniliste 
ühendite emissioon 37%, CO kogus 31%, kuid see-eest suureneb NOx hulk 23%. Tegemist on 
M85ga, ehk metanooli sisaldus on 85% ning eelolevad kogused on saadud võrdlusel M0ga (e 
metanooli sisaldus on 0%).  
 
6 
 
Kuigi alkoholil baseeruvad kütused sisaldavad vähem süsinikku, kui teised fossiilsed kütused, 
on nende kütuste energiaväärtus palju väiksem ning seetõttu tuleb neid kasutada  suuremates  
kogustes. Seepärast ei ole tegu nii „rohelise“ kütusega, kui see algselt tunduda võib.  
 
2.6 Hargnenud ahelaga eeterlisandid 
 
1990.-l  võeti  CAAA  poolt  vastu  otsus,  mille  kohaselt  tohib  kasutada  kütust,  mis  sisaldab  2-
2,7% hapnikku, et vähendada NOx-de ja lenduvate orgaaniliste ühendite emissiooni. Bensiini 
nõuetele vastavusse  viimiseks   segati  kütusesse oksüdeeritud ühendeid, nagu etanool, MTBEd 
(methyl  tertiary-butyl  ether),  ETBEd  (ethyl  tertiary-butyl  ether)  ja  TAMEt  (tertiary-amyl 
methyl ether). 
 
Kõige suuremat  kasutust  leidis MTBE, mida toodetakse isobuteenist ja metanoolist ning mille 
tootmine  on  odav.  Sarnaselt  alkohoolkütustele  suurendavad  ka  hargnenud  ahelaga 
eeterlisandid  formaldehüüdide  heitmeid,  soodustades  sekundaarset  saastet.  Seepärast  kaotati 
ka nõue, et kütus peab sisaldama 2-2,7% hapnikku. 
 
2.7 Maagaas ja veeldatud bensiini gaas 
 
Metaani,   propaani   ja  butaani  käsitletakse  keskkonnasõbralikuma  alternatiivina  teistele 
kütustele.  Maagaas  ei  põhjusta  oluliselt  sekundaarse  saaste  teket  ning  nende  eelistamine 
fossiilsetele kütustele võimaldab oluliselt vähendada CO, süsivesinike ja lämmastikoksiidide 
emissiooni. 
 
Probleemiks  on  aga   alkeenide   sisaldus  maagaasis,  mida  ei  esine  küll  suurtes  kogustes,  kuid 
reaktsioonil  hüdroksüüli  radikaaliga  ilmneb   sekundaarne   saaste.  Suureks   ohuks   kujuneb  ka 
metaan, sest see soodustab tugevalt kasvuhooneefekti. Metaani eluiga on u kümme aastat ning 
on  peamiseks  veeauru  allikaks  stratosfääris  ning  seal  tekkivate  pilvede  tekkimine  võib 
põhjustada stratosfääris oleva osooni lagunemist. 
 
2.8 Biodiisel 
 
Biodiisel saadakse transesterfikatsioonil. See kujutab endast metüülestrit, mis saadakse rapsi, 
sojaubade, pähklite, päevalille, kookose või muude viljade õlidest. Üldiselt on biodiislil 60% 
7 
 
väiksem CO emissioon, kuid 80% suurem NOx emissioon, kui tavalisel diislil. Samuti paiskub 
õhku suuremas koguses benseene ning aldehüüte biodiisli puhul. Kuna biodiislit kulub sama 
vahemaa  läbimiseks rohkem, kui  diiselkütust,  siis  CO2 emissiooni erinevus kahe vahel pole 
eriti suur. 
 
 
8 
 
3. Kokkuvõte 
 
Ilmneb  paratamatus,  et  fossiilsete  kütuste  kasutamist  tuleb  vähendada,  et  parandada  õhu 
kvaliteeti.  Esimeseks  katsetuseks  olid  taaskasutatavad  biokütused.  Kuid  sama  suure  energia 
saamiseks pidi neid kütuseid rohkem põletama ning saasteainete hulk eriliselt väiksemaks ei 
muutunud.  
 
Kuigi  palju  tähelepanu  pööratakse  transpordivahendites  kasutatavatele  kütustele  ning  nende 
omaduste parandamisele, on siiski suurimaks ohuks söel töötavad elektrijaamad , kuna need on 
peamised  õhusaastajad  SO2,  NOx,  CO2,  CH4  ja  raskmetallidega.  Parimaks  alternatiiviks  on 
pöörata elektrimajandus taastuvatele allikatele põhinevaks, nagu nt päikesele, tuulele ja veele. 
 
 
9 
 
Kasutatud kirjandus 
 
Jeffrey S. Gaffney, Nancy A. Marley. The impacts of combustion emissions on air quality 
and climate – From coal to biofuels and beyond. Atmospheric Environment 43 (2009) 23–36. 
 
10