Heitgaasid

Heitgaas (inglise keeles exhaust gas, waste gas) on atmosfääri lenduv kütuse põlemise gaasiline kõrvalsaadus, mis sisaldab elukeskkonnale kahjulikke aineid. Meretranspordis on atmosfäärireostuse peamine allikas laevade diiselmootorite heitgaasid, milles kahjulikke lisandeid on vähem kui 0,3%.

Heitgaasides sisalduvad kahjulikud lisandid:

• lämmastikoksiidid NOx
• vääveloksiidid SOx
• süsinikoksiid CO
• süsivesinikühendid HC
• tahked osakesed PM (inglise particulate matter).

Lämmastikoksiidid N₂O, NO ja NO₂ moodustavad keskmiselt poole heitgaasides sisalduvatest kahjulikest lisanditest. Lämmastikoksiididest vahetult mootorist väljuvates gaasides on umbes 95% NO ja 5% NO₂, mida kokku tähistatakse NOx, seejuures N₂O (naerugaasi) osa ja selle mõju keskkonnale on kaduvväike. NO on värvitu mittetoksiline gaas, mis atmosfääris oksüdeerub mõne tunni jooksusl NO₂-ks. NO₂ on punakaspruun mürgine gaas, mis õhuniiskuse toimel kondenseerub lämmastikhappe vesilahuseks, põhjustades sellega nn. happevihmu, tulemuseks mageveekogude ja märgalade hapestumine ja küllastumine lämmastikühenditega, mis väetisena soodustavad nende kinnikasvamist ning hapnikusisalduse vähenemist vees. Sadamalinnade saastunud õhus tekib päikese UV-kiirguse tulemusena mürgiseid NO₂ ja osooni sisaldav sudu, mis sissehingamisel põhjustab inimestel tervisekahjustusi. NOx mõju ulatus tekkepunktist võib ulatuda tuule mõjul sadade kilomeetrite kaugusele. Kütuse põlemiseks vajaliku õhu koostises sisalduv lämmastik N₂ (kuivas õhus mahu järgi 78%) on praktiliselt inertne keemiline ühend temperatuurini 1700 K, kuid diiselmootori ökonoomse töö tagamiseks vajalik kõrge temperatuur silindris (2000...2300 K) põhjustab lämmastikoksiidide tekkimise ja sisaldumise heitgaasides. NOx sisaldus heitgaasides on tugevas sõltuvuses põlemisprotsessi maksimaalsest temperatuurist – temperatuuri tõusmisel üle 1700 K suureneb sama aja jooksul moodustuv NOx kogus u. 3 korda iga 100 K kohta. Temperatuuri kõrval mõjutab seda ka kõrgema temperatuuri, kui 1700 K, ajaline kestvus ühe töötsükli jooksul (ajafaktor), mis sõltub mootori pöörete arvust. Seetõttu on aeglaste pööretega mootorite heitgaaside NOx sisaldus muudel samastel tingimustel kõrgem võrreldes keskmiste või kiirekäiguliste mootoritega Globaalsest atmosfääri emiteeritava NOx kogusest moodustavad emissioonid laevadelt 13%. 2007. aastal hinnati nende kogust 25,8 miljonile tonnile.

Vääveloksiidid SO₂ ja SO₃ (SOx) sattuvad väljalaskegaasidesse kütuses sisalduvast väävlist. Kogu kütuses sisalduv väävel põleb vääveloksiidideks, mistõttu SOx sisaldus heitgaasides on võrdeline kasutatava kütuse väävlisisalduse ja kütusekuluga. Toornafta sisaldab reeglina 3...5% väävlit, mis nafta destilleerimisel jääb destilleerimisjääkidesse. Seetõttu destilleeritud kütused (diislikütused, bensiinid, lennukikütused) on madala väävlisisaldusega, tavaliselt alla 0,1%. Seevastu laevadel tänapäeval valdavalt kasutatavates raskekütustes (2007. aastal 77,5%), on põhikomponendiks nafta destilleerimise ja krakkimise jäägid ning neis küündib väävlisisaldus 4,5-5%-ni. Analoogiliselt NOx-ga moodustavad SO₂ ja SO₃ õhuniiskuse toimel vastavalt väävlishappe ja väävelhappe vesilahuseid, mis kondenseerudes tekitavad happevihmu, tulemuseks veekogude ning pinnase hapestumine, kivi- ja metallkonstruktsioonide korrosioon ja kahjulik mõju elusloodusele, sh inimeste tervisele. SOx mõju ulatus tekkepunktist on mitu korda väiksem kui NOx mõju – 10...100 km, mistõttu kuni sajandivahetuseni hinnati selle mõju kaugel kaldast merevee aluselisuse tõttu väikeseks, kuid viimastel aastatel on hakatud tähelepanu pöörama tagajärgedele, mida võib kaasa tuua merevee pH potentsiaalne muutumine intensiivse laevaliiklusega merealadel. See oht on eriti aktuaalne vähese soolsuse ja piiratud läbivooluga meredes, mille tüüpiline näide on Läänemeri. Globaalsest atmosfäärireostusest SOx-ga annab meretransport 3...5%. 2007. aastal paisati laevadelt atmosfääri vääveloksiide 16,2 miljonit tonni.

Süsinikoksiid CO on värvitu ja lõhnatu mürgine gaas, mis tekib kütuse mittetäielikul põlemisel madalate temperatuuride või põlemiseks vajaliku õhu puuduse tõttu. Atmosfääris oksüdeerub CO mõne tunni jooksul CO₂-ks . Tööprotsessi kõrgete parameetrite ja liigõhuteguri 1,8...2,2 tõttu CO-sisaldus diiselmootori väljalaskegaasides on teiste orgaanilistel kütustel töötavate energeetikaseadmetega võrreldes väike.

Süsivesinikühendite HC all mõeldakse sadu erineva struktuuriga süsinikku ja vesinikku ning osalt ka lämmastikku, hapnikku ja väävlit sisaldavaid orgaanilisi ühendeid, mis tekivad kütuse mittetäielikul põlemisel. Nagu süsinikoksiidi, nii ka süsivesinikühendite sisaldust diiselmootori välja-laskegaasides ei peeta nende madala kontsentratsiooni tõttu probleemseteks.

Tahkete osakeste (ja suitsu) tekkimine on seotud süsivesinikühendite põlemisprotsessi iseärasustega, mille käigus moodustuvad mikroskoopilised tahmaosakesed, mille põlemine on aeglasem ja nõuab rohkem hapnikku ning kõrgemat temperatuuri. Õhu puuduliku juurdepääsu tingimustes jääb väike osa neist põlemata. Teine oluline tahkete osakeste tekkeallikas on raskekütustes sisalduvad tahked mittepõlevad lisandid (tuhk), mille osatähtsus on raskekütuste puhul tüüpiliselt 50% heitgaaside tahkete osakeste kogumassist. Tahkete osakeste hulka heitgaasides mõjutab oluliselt kütuse väävlisisaldus. Osa tahketest osakestest on kantserogeenid. Sadestudes igijääle põhjustavad tahked tumedad osakesed selle sulamist päikesekiirguse intensiivsema neeldumise tõttu. Õhuvooludega võivad tahked osakesed kanduda tekkepunktist suurtele kaugustele.

Meetmed heitgaasidest põhjustatud atmosfäärireostuse vähendamiseks laevadelt

Lämmastikoksiidide sisalduse vähendamise meetodid diiselmootorite heitgaasides

2005. aastal kehtestatud MARPOL 73/78 Lisa VI seadustas tagasiulatuvalt 1. jaanuarist 2000 vettelastud laevade enam, kui 130 kW võimsusega diiselmootorite heitgaaside NOx suurima lubatud sisalduse vt rakendusgraafikul kõver I.

NOx piirangute rakendusgraafik

1. jaanuarist 2011 kehtestati uued, kõveraga I võrreldes keskmiselt 20% madalamad NOx piirnormid vt. kõver II. Kõveratega I ja II kehtestatud laevamootorite heitgaaside NOx sisalduse piirväärtused on antud sõltuvalt mootorite nimipöörlemissagedustest, mis kajastab ajafaktori mõju. Kõveratega I ja II kehtestatud normid on globaalselt ühtsed. Järgmise sammuna on IMO seadnud eesmärgiks kehtestada eriti keskkonnatundlikel merealadel, nn. NECA piirkondades (NOx Emission Control Area - NOx heitekontrolli piirkond) kõveraga I võrreldes keskmiselt 80% madalamad NOx piirnormid vt. kõver III. NECA piirkondi pole seni IMO poolt veel täpselt määratletud, kuid eeldatavasti saavad nendeks praegused SECA piirkonnad, st. tiheda laevaliiklusega rannikulähedased merealad ja sadamad. Kui kõveratega I ja II kehtestatud nõudeid on üldjuhul saavutatud põlemisprotsessi mõjutamise teel, siis kõvera III nõuete rahuldamiseks on tänasel päeval ainus kindel ja läbiproovitud meetod heitgaaside järelpuhastamine selektiivsete katalüsaatoritega, millega peaksid olema varustatud praktiliselt kõik tsiviilotstarbelised vedelkütustel töötavad mootorlaevad, mis sisenevad NECA piirkondadesse. Kõvera III rakendamise tähtaega on seonduvate tehniliste probleemide ja liikmesriikide erimeelsuste tõttu edasi lükatud ja hetkel täpsemalt määramata. Mitmed mootoritootjad sh. MAN Diesel, MaK Caterpillar jt. peavad võimalikuks kõver III nõuete täitmist ilma gaaside järelpuhastamiseta, kasutades heitgaaside retsirkulatsiooni ja/või Milleri protsessi (õhu jahutamine mootori silindris enne komprimeerimist) koos kaheastmelise gaasiturbiinülelaadimisega. Neile nõuetele vastavad ka maagaasil, lahja küttesegu ja Otto ringprotsessiga töötavad mootorid. Kõige üldisemalt võib kõiki väljalaskegaaside NOx sisaldust vähendavaid laevamootorite valmistajate poolt väljatöötatud meetodeid liigitada primaarseteks ja sekundaarseteks. Primaarseid meetodeid võib omakorda liigitada „kuivadeks“ ja „märgadeks“.

„Kuivade” meetedite puhul mõjutatakse põlemisprotsessi mootor silindris (põlemiskambri kuju muutmine, kütuse pihustusrõhu ja sissepritse ajastamise varieerimine, pihustite konstruktsiooni muutmine, Milleri protsessi ja heitgaaside retsirkulatsiooni kasutamine jms) eesmärgiga vähendada maksimaalset temperatuuri silindris.

„Märgade“ meetodite ühiseks tunnuseks on vee ühel või teisel viisil kaasamine põlemisprotsessi. Vee kaasamise sihiks on maksimaalse temperatuuri alandamine silindris vee aurustamiseks ja auru kuumutamiseks kulutatava soojuse arvel. Primaarsete meetodite rakendamisega üldjuhul väheneb ka keskmine temperatuur soojuse lisamisel töökehale, mis vastavalt termodünaamika seadustele toob kaasa termilise kasuteguri vähenemise (kütusekulu samal võimsusel suureneb). Sekundaarsed meetmed NOx sisalduse vähendamiseks heitgaasides seisnevad nende järelpuhastamises. Käesolevaks ajaks on rida firmasid (Siemens, Wärtsilä jt) välja töötanud ja rakendanud laevadel SCR (Selective Catalytic Reactor) tüüpi selektiivseid katalüsaatoreid, milles gaaside puhastamiseks lämmastikoksiididest kasutatakse lämmastikorgaanilist ühendit karbamiidi (uurea) CO(NH₂)₂ 40% vesilahusena. Diiselmootori heitgaaside järeltöötlemine selektiivsetes katalüsaatorites vähendab NOx sisaldust 90…95% ja HC sisaldust kuni 90%, kusjuures see ei mõjuta mootori kasutegurit ja selle konstruktsiooni pole vaja muuta. Vaatamata kõrgele algmaksumusele, seadme suurtele gabariitidele ja ekspluatatsioonikuludele on SCR seni ainus kasutada olev efektiivne meetod heitgaaside NOx sisalduse viimiseks vastavusse MARPOL nõuetele.

Vääveloksiidide sisalduse vähendamise meetodid diiselmootorite heitgaasidesgaasides

IMO poolt on rakendatud ka vääveloksiidide atmosfääri reostava emissiooni piiramist laevadelt. Esialgu on mindud kõige efektiivsema ja kergesti kontrollitava meetme – kasutatava kütuse väävlisisalduse piiramise teed. 2006. aastal kehtestati Läänemeri ja 2008. aastal Põhjmeri esimesteks nn SECA (Sulfur Emission Control Area) merealandeks, kus laevakütuste suurim lubatud väävlisisaldus on 1,5%. Edaspidi on kavandatud kütuste järkjärguline väävli lubatud piirsisalduse vähendamine (vt. SOx piirangute rakendustabel).

SOx piirangute rakendustabel

Sisuliselt tähendaksid tabelis toodud kütuse väävlisisalduse piirangud aastaks 2020 laevanduses totaalset üleminekut destilleeritud kütustele, mis on Euroopa ühe juhtiva merendussektori innovatsiooni ja uuringufirma DK Group poolt teostatud analüüsi alusel küsitava väärtusega meede, sest destilleeritud kütuste hind on ligikaudu 2 korda kallim raskekütuste hinnast ja praeguse seisuga puuduvad naftatöötlemissektoril võimsused täiendava 382 miljoni tonni destilleeritud kütuste tootmiseks (IMO poolt arvestatud destilleeritud kütuste lisavajadus 2020. aastaks), uute naftatöötlemisvõimsuste rajamine võtab aega vähemalt 20 aastat ja selleks kulub umbes 250 miljardit USD. Lisaks sellele suureneb prognoosikohaselt naftatöötlemisest põhjustatud CO₂ emissioon atmosfääri 20%, mis on samuti kaasaja suureks probleemiks (kliima globaalne soojenemine). Tuleb siiski märkida, et DK Groupi süngetele prognoosidele vaatamata toimus üleminek destilleeritud madala väävlisisaldusega vedelkütustele alates 01.01.2015 suhteliselt valutult, ning näib, et seda jätkub piisavalt ja vastuvõetava hinnaga. Alternatiivina näeb IMO ette ka väljalaskegaaside järelpuhastamist vääveloksiididest märgfiltrite e skraberitega. Skraberites muundatakse vääveloksiidid hapeteks, mis seejärel neutraliseeritakse aluseliste reagentidega. Laevadel on kõige odavam ja otstarbekam kasutada reagendina merevett, kuid mereveega töötavate skraberite puudusteks on suur veekulu, kõrgendatud happesusega äratöötanud merevee merrelaskmine ning madalama soolsusega, nt Läänemere merevee ebapiisav aluselisus. Märksa efektiivsemad on skraberid, kus adsorbentidena kasutatakse kaltsiumi- või naatriumiühendeid, kuid siin on probleemideks suurte adsorbendikoguste hoidmine ja käitlemine laevatingimustes ning merekeskkonnale kahjulike vedel- ja tahkete jäätmete käitlemine. Rea firmade nagu Aalborg (Taani), Krystallion (Suurbritannia), Wärtsilä (Soome) jt poolt tehtavate katse-uurimistööd laevadele sobivate kompaktsete skraberite väljatöötamiseks annavad lootust nende laiemale levikule laevadel juba lähiaastatel, kuid seni takistab nende laialdasemat kasutuselevõttu seadmete ja süsteemide mass, gabariidid ja hind ühest küljest, kuid teisest küljest ka vähene kasutamise kogemus laevadel ja hetkel madalad kütusehinnad.

Tahkete osakeste sisaldus

Tahkete osakeste sisaldust diiselmootorite heitgaasides seni rahvusvaheliste konventsioonidega piiratud ei ole, küll on seda teinud mõned riigid iseseisvalt (nt. USA). NOx piiramise primaarsete abinõude, selektiivsete katalüsaatorite ja skraberite rakendamisel on märkimisväärne mõju tahkete osakeste vähenemisele heitgaasides. Samuti, tänu kiiresti suurenevast elektrooniliselt juhitavate laevadiislite kasutuselevõtule uutel laevadel alates 2000. aastast, mille eesmärgiks on kütuse täpsem doseerimisne, pihustamise parem kvaliteet ja paindlikum ajastamine on põlemisprotsess nendes mootorites täielikum ja sellega ka tahkete osakeste, HC jt kahjulike lisandite (v.a SOx) sisaldus heitgaasides väiksem. Need mootorid töötavad praktiliselt suitsuvabalt kõigil režiimidel. Radikaalseim lahendus kõigile eelpooltoodud probleemidele on üleminek vedelkütustelt maagaasile – laevadel vajaliku kütusekoguse mahutamiseks veeldatud kujul e LNG-na (Liquified Natural Gas) – kuid see protsess saab toimuda vaid järk-järgult ja võtab aega aastakümneid. Kuid see on juba teema omaette ja tänase päeva teadmiste kohaselt jäävad lähema 15…20 aasta, või veelgi pikema ajahorisondini meretranspordis domineerima naftast toodetud vedelkütustel töötavad diiselmootorid koos sellega kaasnevate probleemidega.

Autorid:

• Heino Punab
• Jüri Kask

Allikad

• Heino Punab Laevadiislid – arengud, probleemid ja lahendused. Loengumaterjal. Tallinn 2010.