Published April 2018 | Version v1
Miscellaneous Restricted

Atmospheric ageing of wood fuel combustion emissions and its main organic markers. Primary emissions and secondary aerosol formation potentials: comparisons between different residential stove technologies - VULCAIN Project. Report, April 2018

  • 1. Aix Marseille Univ, CNRS, LCE, Marseille (France)
  • 2. Laboratory of Atmospheric Chemistry, Paul Scherrer Institute, 5232, Villigen (Switzerland)
  • 3. Agence de l'environnement et de la Maitrise de l'Energie - Ademe, 20, avenue du Gresille- BP 90406 49004 Angers Cedex 01 (France)
  • 4. Agence de l'environnement et de la Maitrise de l'Energie - Ademe (France)
  • 5. Massalya/LCE, Aix Marseille Universite (France)

Description

Biomass burning is in winter a major source of air pollution by particulate matter, especially in France. While primary emissions have already been characterized extensively, only few studies have addressed the aging of these emissions in the atmosphere and large uncertainties remain. Therefore, the objectives of this project was to study, in a smog chamber, the aging of the aerosol emitted by 3 different woodstoves used for residential heating: one unlabeled logwood stoves fabricated in 2000, one 7 stars labeled logwood stoves and one 5 stars labeled pellet burner. A specific focus was made on the Secondary Organic Aerosol (SOA) production potential and on the modification of the chemical fingerprint of the emissions at the molecular level during their transport in the atmosphere. In terms of primary emissions, the 7 stars logwood stove emits an average of 35 % less fine particles (PM2.5) than the unlabeled stove (631 mg.kg-1 versus 986 mg.kg-1, respectively). Of the three tested stoves, the pellet burner is the most emitting woodstoves with an average PM2.5 emission factor of 1370 mg.kg-1, composed of nearly 90% of Black Carbon. The experiments also clearly demonstrated the importance of considering the secondary aerosol production potential (SAPP) in the evaluation of the global impact of a given stove emissions. The organic aerosol concentration can thus be multiplied by a factor up to 7 (ranging from 3.5 to 7.1) for the logwood stoves after an atmospheric residence time equivalent to 5 hours. The SAPP is significantly lower for pellet burner emissions (ranging from 1.5 to 1.9). Thus, considering atmospheric aging, the probability of reducing the global PM2.5 emissions by a factor of 1.5 by replacing a non-labeled logwood stove by a 7-star labeled logwood stove is estimated at 85%. This probability is 100% if the non-labeled logwood stove is replaced by a pellet stove (labeled 5 stars). The study also further demonstrated the influence of the combustion efficiency on the emissions and implicitly the crucial role of the operator. Atmospheric aging of biomass burning aerosol also highlights 2 remarkable points. First, the abundant formation of nitro-catechols which could be used as markers of SOA produced from biomass combustion emissions. Then, the importance of the volatilization process of levoglucosan, main marker of biomass burning, during the dilution phase, and challenge the pertinence of the degradation rate constant determined previously in smog chamber. Finally, the analysis of the data collected in the Arve valley during winter 2014 shows the prevalence of the biomass combustions sources on both the submicron organic aerosol fraction (> 65%) and volatile organic compounds identified and quantified here (> 55%).Finally, the analysis of the data collected in the Arve valley during winter 2014 shows the prevalence of the biomass combustions sources on both the submicron organic aerosol fraction (> 65%) and volatile organic compounds identified and quantified here (> 55%). (authors)

Abstract (French)

La combustion de bois, ou plus largement de la biomasse, est une source de pollution tres importante en particules atmospheriques particulierement en hiver. Si les emissions primaires ont ete etudiees depuis de nombreuses annees, il existe de grandes incertitudes sur le devenir de ces emissions dans l'atmosphere. Dans le cadre du projet VULCAIN, le travail a porte sur l'etude du vieillissement en chambre de simulation atmospherique des aerosols emis par 3 appareillages pour le chauffage au bois: un poele a buches non labelise, un poele a buches labelise 7 etoiles flamme verte et un poele a granules labelise 5 etoiles. Un interet particulier a ete porte au potentiel de formation d'aerosol organique secondaire (SOA) et a la modification de l'empreinte chimique a l'echelle moleculaire au cours du transport atmospherique. En termes d'emissions primaires, le poele a bois 7 etoiles emet en moyenne 35% moins de particules fines (PM2,5) que le poele non labellise (631 mg.kg-1 contre 986 mg.kg-1, respectivement). Des trois poeles testes, c'est le poele a granules le plus emissif avec un facteur d'emission primaire moyen en PM2,5 de 1370 mg.kg-1, compose a pres de 90% de Black Carbon. Les experiences ont egalement clairement demontre l'importance de la prise en compte du potentiel de formation de SOA. La concentration en aerosol organique peut ainsi etre multipliee par un facteur allant jusqu'a une valeur de 7 (compris entre 3,5 et 7,1; moyenne 5,3) pour les poeles a buches entre le moment de l'emission et apres un temps de residence atmospherique equivalent a 5 h. Ce potentiel de formation d'aerosol secondaire est significativement plus faible pour les emissions issues du poele a granules (allant de 1,5 a 1,9; moyenne 1,7). Ainsi, en considerant le vieillissement des emissions, la probabilite de diminuer emissions globales de PM2,5 d'un facteur 1,5 en remplacant un poele a buches non labelise par un poele labelise 7 etoiles est estimee a 85%. Elle est de 100% de diminuer par un facteur 2,5, si le poele non labelise est remplace par un poele a granules labelise 5 etoiles. Cette etude met aussi particulierement en evidence l'impact de l'efficacite de combustion sur les facteurs d'emissions primaires et sur le potentiel de formation d'aerosol secondaire. L'operateur joue par consequent un role crucial. L'etude du vieillissement a l'echelle moleculaire met en evidence 2 points remarquables. D'abord l'abondante formation de composes appartenant la famille des nitrocatechols susceptibles de servir de marqueurs pour le SOA induits par les emissions de combustions de biomasse. Ensuite, l'importance du processus de volatilisation du levoglucosan, principal marqueur organique de la combustion de biomasse, pendant le processus de dilution du panache posant clairement la question de la pertinence des constantes cinetiques de degradation prealablement calculees en chambre de simulation atmospherique pour ce composes et l'ensemble des composes semi-volatils. Enfin, l'analyse des donnees collectees dans la vallee de l'Arve au cours de l'hiver 2014, confirme l'impact preponderant de la combustion de biomasse sur les concentrations massiques en particules submicroniques (PM1) et en composes organiques volatils (COV). L'impact des combustions de biomasse represente, en effet, plus de 65% de la fraction organique des PM1 (fraction representant pres de 80% des PM1) et pres de 55 % des COVs pouvant etre detectes et quantifies par l'instrumentation mise en place. (auteurs)

Files

Restricted

The record is publicly accessible, but files are restricted to users with access.

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Vieillissement atmospherique des emissions liees a la combustion de bois energie et de ses principaux marqueurs organiques. Emissions primaires et potentiels de formation d'aerosol secondaire: comparaisons entre differentes technologies de poeles a usage residentiel - Projet VULCAIN. Rapport, Avril 2018

Publishing Information

Imprint Pagination
69 p.
Report number
INIS-FR--24-1261

Optional Information

Notes
49 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses