JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

70
JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential Wood Combustion JOKA KUOPIO 2008 KUOPION YLIOPISTON JULKAISUJA C. LUONNONTIETEET JA YMPÄRISTÖTIETEET 237 KUOPIO UNIVERSITY PUBLICATIONS C. NATURAL AND ENVIRONMENTAL SCIENCES 237 Doctoral dissertation To be presented by permission of the Faculty of Natural and Environmental Sciences of the University of Kuopio for public examination in Auditorium L21, Snellmania building, University of Kuopio on Friday 3 rd October 2008, at 1 p.m. Department of Environmental Science University of Kuopio

Transcript of JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Page 1: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

JARKKO TISSARI

Fine Particle Emissions fromResidential Wood Combustion

JOKAKUOPIO 2008

KUOPION YLIOPISTON JULKAISUJA C. LUONNONTIETEET JA YMPÄRISTÖTIETEET 237KUOPIO UNIVERSITY PUBLICATIONS C. NATURAL AND ENVIRONMENTAL SCIENCES 237

Doctoral dissertation

To be presented by permission of the Faculty of Natural and Environmental Sciences

of the University of Kuopio for public examination in

Auditorium L21, Snellmania building, University of Kuopio

on Friday 3rd October 2008, at 1 p.m.

Department of Environmental ScienceUniversity of Kuopio

Page 2: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Distributor : Kuopio University Library P.O. Box 1627 FI-70211 KUOPIO FINLAND Tel. +358 40 355 3430 Fax +358 17 163 410 http://www.uku.fi/kirjasto/julkaisutoiminta/julkmyyn.html

Series Editors: Professor Pertti Pasanen, Ph.D. Department of Environmental Science

Professor Jari Kaipio, Ph.D. Department of Applied Physics

Author’s address: Department of Environmental Science University of Kuopio P.O. Box 1627 FI-70211 KUOPIO FINLAND Tel. +358 40 355 3237 Fax +358 17 163 229 E-mail : [email protected]

Supervisor : Professor Jorma Jokiniemi, Ph.D. Department of Environmental Science University of Kuopio

Reviewers: Dr. Christoffer Boman, Ph.D. Umeå University Energy Technology and Thermal Process Chemistry Umeå, Sweden

Dr. Joakim Pagels, Ph.D. (tech) Lund University, Faculty of Engineering Ergonomics and Aerosol Technology Lund, Sweden

Opponent: Doc. Annele Virtanen, Ph.D. Tampere University of Technology Institute of Physics Tampere, Finland

ISBN 978-951-27-0975-5ISBN 978-951-27-1090-4 (PDF)ISSN 1235-0486

KopijyväKuopio 2008Finland

Page 3: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Tissari, Jarkko. Fine Particle Emissions From Residential Wood Combustion. KuopioUniversity Publications C. Natural and Environmental Sciences 237. 2008. 63 p.ISBN 978­951­27­0975­5ISBN 978­951­27­1090­4 (PDF)ISSN 1235­0486

Abstract

Residential  wood  combustion  (RWC)  appliances  have  the  high  probability  ofincomplete combustion, producing e.g. fine particles and hazardous organic compounds. Inthis  thesis,  the  fine  particle  number  and  mass  emissions,  particle  composition  andmorphology,  and  gas  emissions  were  investigated  from  the  modern  (MMH)  andconventional  masonry  heaters  (CMH),  sauna  stoves  (SS)  and  pellet  burner.  Theinvestigation was based on laboratory and field experiments applying extensive and uniqueparticle sampling methods.

The appliance type, fuel and operational practices were found to affect clearly the fineparticle  emissions.  In  good  combustion  conditions  (e.g.  in  pellet  combustion),  the  fineparticle mass (PM1) emission factors were low, typically below 0.3 g kg­1, and over 90% ofthe PM1 consisted of inorganic compounds (i.e "fine ash"). From the CMH the typical PM1values were 1.6–1.8 g kg­1, and from the SS 2.7–5.0 g kg­1, but were strongly dependent onoperational practices.  The smouldering combustion in CMH increased PM1 emission up to10 g kg­1. The good secondary combustion in the MMH reduced the particle organic matter(POM) and gaseous  emissions,  but  not  substantially  the  elemental  carbon  (EC,  i.e.  soot)emission, and the typical PM1 values were 0.7–0.8 g kg­1.

The particle number emissions were high, varying from 1.0 × 1014 kg­1 to 42 × 1014 kg­1

and  did  not  correspond  with  the  completition  of  combustion.    The  particle  numberdistributions were mainly dominated by ultrafine (<100 nm) particles, but varied dependenton combustion conditions. The electronmicroscopy analyses showed that ultrafine particleswere composed mainly of K, S and Zn. From the smouldering combustion, particles werecomposed mainly of carbon compounds and they had a closed sintered­like structure, due toorganic matter on the particles.

Controlling the gasification rate via the primary air supply, log and batch size, as wellas  fuel moisture content, is  important  for  the reduction of  emissions  in batch combustionappliances.  To reduce  emissions  of  sauna  stoves,  the  combustion  technique  or  secondaryremoval techniques must be developed.

Universal  Decimal  Classification:  504.5,  544.452,  551.510.42,  628.532,  662.613.13,662.613.5, 662.63, 683.943, 697.243.5National Library of Medicine Classification: WA 754CAB  Thesaurus:  combustion;  burning;  heaters;  stoves;  wood;  fuelwood;  pellets;  oats;rapeseed;  bark;  peat;  wood  smoke;  wood  ash;  air  pollutants;  gases;  dilution;  emission;particles;  distribution;  particle  size  distribution;  aerosols;  measurement;  determination;characterization;  morphology;  analysis;  chemical  analysis,  chemical  composition;  carbonmonoxide; organic matter; organic compounds; electron microscopy

Page 4: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 5: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

AcknowledgementsThis study was carried out in the Fine Particle and Aerosol Technology Laboratory in the

Department  of  Environmental  Science  during  the  years  2002–2008.  I  thank  the  Head  of

Department, Professor Jukka Juutilainen,  for  the opportunity  to  work  in his Department. This

research  was  financially  supported  by  the  Finnish  Funding  Agency  for  Technology  and

Innovation (TEKES), the Ministry of the Environment, the Ministry of Agriculture and Forestry,

and several manufacturers.

I wish to express my gratitude to my supervisor, Professor Jorma Jokiniemi, for supervising

and guiding my thesis, and providing a research environment for this thesis. I am also thankful

to Jorma Joutsensaari PhD and Pertti Pasanen PhD for their encouragement and supervision of

this work. I am grateful to the official reviewers of the thesis, Christoffer Boman PhD from the

University of Umeå, Sweden, and Joakim Pagels PhD from the University of Lund, Sweden, for

reviewing and making valuable comments on the thesis. I am grateful to Vivian Paganuzzi for

the expert revision of the language.

I also thank my co­authors, Olli Sippula MSc and Kati Hytönen MSc from the University of

Kuopio, Jussi Lyyränen PhD, and Unto Tapper PhD, of VTT, the Technical Research Centre of

Finland,  and  all  other  colleagues  at  the  Finnish  Meteorological  Institute,  the  National  Public

Health Institute, and the TTS Research, for their wonderful co­operation during the work. I wish

to thank all my colleagues in the Fine Particle and Aerosol Technology Laboratory. In addition,

special  thanks  go  to  Pentti  Willman  for  his  assistance  in  laboratory  analyses,  and  to  Anita

Kajander for her help.

Finally,  I  warmly  thank  my  parents,  Hilkka  and  Matti,  for  their  loving  support  and

encouragement throughout my life. Kiitos äiti ja isä! The greatest and warmest thanks go to my

wife  Maria  for  love,  care  and  understanding,  and  to  our  wonderful  children  Emilia,  Mikael,

Olivia, Adalmiina and Eemil: you all bring a lot of happy moments to our life.

Kuopio, August 2008

Jarkko Tissari

Page 6: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 7: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

List of acronyms and definitionsCMH Conventional masonry heater. Masonry heater with traditional

rift grate.

Coarse fly ash  Coarse (> 1 µm) low volatile ash compounds that are ejected

from the fuel bed into flue gas.

DLPI Dekati low pressure impactor

DR Dilution ratio

DT Dilution tunnel

EC Elemental carbon

ED Ejector diluter

ELPI Electrical low pressure impactor

Fine ash Volatile ash compounds (below size of 1 µm, primarily

alkali metal compounds) that are volatilized during combustion.

FMPS Fast mobility particle sizer

GMD Geometric mean diameter

MH Masonry heater. Heavy (>800 kg) wood combustion

appliance which stores energy released from combustion to the

massive structure of heater and slowly radiates into indoor air.

MMH Modern masonry heater. Masonry heater with unique grate

design.

MMD Mass mean diameter

NC Normal combustion. The case where the CMH was used with

the best available operational practice for the heater.

OGC Organic gaseous compounds measured with flame ionization

detector (FID).

OC Organic carbon

PM Particle mass or particulate matter

PMx Particle mass below aerodynamic size of x µm.

POM Particle  organic  matter:  determined by  converting  the  mass  of

the  organic  carbon  (OC)  to  the  total  mass  of  the  organic

compound  (POM)  using  a  factor  that  accounts  for  the

oxygen, hydrogen, and some other elements present. The scale

factor of 1.8 was used in this thesis.

Page 8: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

PRD Porous tube diluter

RWC Residential wood combustion

Soot Complex mixture consisting mainly of amorphous elemental

carbon (EC) and organic material. Typically the blacker the

smoke is, the higher is the elemental carbon content.

S or WS Stove. Light wood combustion appliances that is free­standing,

not storing­ or semi­storing wood heaters usually made of steel.

SC Smouldering combustion. Generally, highly incomplete

combustion caused by overall lack of oxygen.

SEM Scanning electron microscopy

SS Sauna stove. Heaters used for heating sauna rooms. They are

typically made of steel and have no means of preserving the

heat produced.

TEM Transmission electron microscopy

Page 9: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

List of publications

This thesis is based on four original publications referred to the text by their Roman

numerals (I–IV).

Paper I: Tissari, J., Hytönen, K., Sippula, O., Jokiniemi, J. (2008) The effects of

operating conditions on emissions from masonry heaters and sauna

stoves. Accepted to Biomass & Bioenergy.

Paper II: Tissari, J., Lyyränen, J., Hytönen, K., Sippula, O., Tapper, U., Frey, A.,

Saarnio,  K.,  Pennanen,  A.,  Hillamo,  R.,  Salonen,  R.,  Hirvonen,  M.­R.,

Jokiniemi,  J.  (2008)  Fine  particle  and  gaseous  emissions  from  normal

and  smouldering  wood  combustion  fired  in  a  conventional  masonry

heater. Accepted to Atmospheric Environment.

Paper III: 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.

Paper IV: Tissari, J., Sippula, O., Kouki, J., Vuorio, K., Jokiniemi, J. (2008) Fine

particle and gas emissions from the combustion of agricultural fuels fired

in a 20 kW burner. Energy & Fuels 22, 2033–2042.

The original articles have been reproduced with permission of the copyright holders.

Page 10: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 11: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Author's contribution

The research reported  in this  thesis was mainly carried out at the Fine Particle and Aerosol

Technology Laboratory  of  the University  of Kuopio, Finland, during 2002–2008. Paper  I is

based on the experimental work to investigate the emissions from masonry heaters and sauna

stoves. The experiments were constructed mainly by the author and carried out with the help

of K. Hytönen MSc and O. Sippula MSc (Tech.) under the supervision of Prof. T. Raunemaa

and Prof. J. Jokiniemi. The data analysis and interpretation were performed by the author.

Papers  II–IV  were  carried  out  under  the  supervision  of  Prof.  J.  Jokiniemi.  Paper  II

characterised  the  fine  particle  emissions  from  a  conventional  masonry  heater  during

smouldering and normal combustion conditions. The experiments described in Paper II were

carried out by the author with the help of K. Hytönen MSc, J. Lyyränen PhD, A. Pennanen

PhD and A. Frey MSc. In Paper II the scanning electron microscopy samples were collected

by J. Lyyränen PhD and analysis  was performed by  U. Tapper PhD. The data analysis and

interpretation were mainly performed by the author with the help of O. Sippula MSc (Tech.).

The field experiments from residential appliances described in Paper III were carried out by

the author with the help of K. Hytönen MSc, J. Lyyränen PhD and T. Turrek MSc. The data

analysis  and  interpretation  were  mainly  performed  by  the  author.  The  PAH  sampling  and

analysis were carried out by K. Hytönen MSc.

The  wood  pellet  and  agricultural  fuel  combustion  experiments  described  in  Paper  IV  were

carried  out  at  the  TTS  Research,  Rajamäki,  Finland.  The  combustion  experiments  were

mainly arranged by J. Kouki and K. Vuorio. The emission measurements were carried out by

the  author  and  O.  Sippula  MSc  (Tech.).  The  data  analysis  and  calculation  of  results  were

carried out by the author. The interpretation of data was performed by the author with the help

of O. Sippula MSc (Tech.).

The author was responsible for writing in all of the Papers.

Page 12: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 13: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

CONTENTS

1 INTRODUCTION..................................................................................17

2 RESIDENTIAL WOOD COMBUSTION.............................................192.1 Composition of wood fuel ..............................................................................................192.2 Wood combustion process ..............................................................................................19

2.2.1 Drying and pyrolysis .............................................................................................192.2.2 Combustion ..........................................................................................................202.2.3 Batch and continuous combustion..........................................................................20

2.3 Requirements for complete combustion ..........................................................................202.3.1 Combustion temperature .......................................................................................202.3.2 Combustion air supply ..........................................................................................212.3.3 Mixing of combustion air and fuel gas...................................................................212.3.4 Operational parameters..........................................................................................22

2.4 Residential combustion appliances..................................................................................222.4.1 Masonry heaters....................................................................................................222.4.2 Wood stoves .........................................................................................................232.4.3 Wood log boilers...................................................................................................232.4.4 Pellet burners and boilers ......................................................................................242.4.5 Stoker burners.......................................................................................................24

3 FORMATION OF EMISSIONS............................................................253.1 Formation of gaseous emissions and organic particles.....................................................253.2 Formation of soot particles .............................................................................................263.3 Formation of ash particles ..............................................................................................27

4 AIMS OF THIS STUDY ........................................................................29

5 MEASUREMENT METHODS .............................................................315.1 Combustion arrangements, particle sampling and dilution ...............................................315.2 Particle number and number size distribution measurements ...........................................325.3 Particle mass and mass size distribution measurements ...................................................335.4 Analysis of particle chemical composition ......................................................................335.5 Analysis of particle morphology.....................................................................................345.6 Gas measurements..........................................................................................................34

Page 14: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6 RESULTS AND DISCUSSION ............................................................. 376.1 Fine particle and gas emissions from RWC .................................................................... 37

6.1.1 Particle number emissions and number size distributions........................................376.1.2 PM1 emissions and particle mass size distributions.................................................416.1.3 Particle composition ..............................................................................................426.1.4 Particle morphology ..............................................................................................466.1.5 Gas emission .........................................................................................................47

6.2 Effect of operational practices on emissions................................................................... 476.2.1 Effect of operation in continuous combustion.........................................................476.2.2 Effect of fuel loading on emissions in batch combustion ........................................486.2.3 Emissions in smouldering combustion ...................................................................49

6.3 Effect of sampling and dilution on fine particle emissions .............................................. 496.3.1 Particle losses........................................................................................................496.3.2 Transformation of particles....................................................................................50

6.4 Cases of high and low fine particle emissions from RWC appliances and suggestions for ...          emission reduction measures ................................................................................ 51

7 SUMMARY AND CONCLUSIONS ..................................................... 55

8 REFERENCES ...................................................................................... 57

APPENDIX I: EMISSION FACTOR TABLESAPPENDIX II: CALCULATION OF DR AND EMISSION FACTORSAPPENDIX III: PAPERS

Page 15: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1­63 (2008) 17

1 Introduction

Fine particles (PM2.5: Particle Mass belowaerodynamic size of 2.5 µm) are one of the mostimportant  pollutant  in  outdoor  air  (Pope  andDockery, 2006). The impact of airborne particleson  health  is  very  varied,  ranging  from  causingmild, short­lived symptoms to contributing to theonset  or  worsening  of  chronic  conditions  andpremature death (Dockery et al., 1993; Kappos etal.,  2004;  Salonen and  Pennanen,  2007).  A  safethreshold level  for fine particle concentrations inurban air cannot yet be determined (WHO, 1994).

Residential  wood  combustion  (RWC)  forheat production has been assessed  to be a majorsource of fine particle mass emissions, particulatepolyaromatic  hydrocarbons  (PAHs)  and  certaingaseous  pollutants  such  as  volatile  organiccompounds  (VOCs)  throughout  Europe  (e.g.Olsson et  al.,  1997;  Christensen et  al.,  1998;Salonen  and  Pennanen,  2007).  In  Finland,  themain  source  of  fine  particles  is  long­rangetransport,  whereas  traffic,  energy  plants,industrial  processes  and  residential  woodcombustion  (RWC)  are  the  most  importantstationary  emission  sources. A  recent  studyreported  that  RWC  accounted  for  25%  of  thestationary  combustion  emissions  in  Finland  in2000,  based  on  primary  PM2.5  (Karvosenoja etal.,  2008).  On  the  other  hand,  it  has  beenestimated that RWC can produce locally as muchas  20–90%  of  the  wintertime  fine  particleemissions (Muhlbaler Dasch, 1982; Boman et al.,2003).

According  to  the  latest  studies,  the healtheffects  of  inhaled  aerosol  particles  from  woodcombustion  may  be  more  harmful  than  haspreviously  been  thought  (Boman et  al.,  2003;Naeher et al., 2007). Health studies in residentialareas  with  prevalent  small­scale  woodcombustion  have  indicated  that  asthmaticsubjects  are  vulnerable  to  this  kind  of  airpollution (Larson and Koenig 1994; Boman et al.2003).  In  many  developing  countries,  woodcombustion  is  a  major  source  of  energy  forindoor cooking and heating, and epidemiologicalstudies  have  reported,  a  high  incidence  of  lungcancer  among  women  who  use  stoves  in  China

(Liu et al., 1993; Pintos et al., 1998). The smallsize of the particles may increase significantly thepopulation's exposure to respiratory ailments andother health risks (Seaton et al., 1995; Pope et al.,2002).

On  the  other  hand,  it  is  well  known  thatatmospheric  aerosols  influence  climate  (IPCC,2007). Flaming combustion at high temperaturesproduces  "sooty"  smoke  which  strongly  absorbssolar  radiation  and  warms  the  atmosphere(Colbeck et  al.,  1997).  However,  fine  particlesprimarily  cool  the  atmosphere,  becausesmouldering  combustion  at  low  combustiontemperatures  produces  an  aerosol  thatpredominantly  scatters  sunlight,  and  the  fineparticles form clouds that reflect sunlight back tospace  (e.g.  Colbeck et  al.,  1997).  Furthermore,incomplete  wood  combustion  produces  methaneand nitrogen­rich fuels N2O that are the effectivegreenhouse  gases  (Seinfeld  and  Pandis,  1998).However,  because  biomass  fuels  are  carbondioxide  (CO2)  neutral,  according  to  differentinternational  requirements,  the  use  of  theserenewable energy sources will be increased in thenear future, in order to decrease the emissions ofgreenhouse  gases.  According  to  an  EUagreement,  the  use  of  renewable  energy  inFinland  has  to  increase  from  28%  to  38%  by2020. This also  requires an  increase  in all kindsof wood energy.

The  combustion  conditions  are  verydifferent  in  small­scale  combustion  appliancesthan  in  large  power  plants.  In  small  combustionunits,  the local atmosphere and temperature varyconsiderably depending on  the grate and burner.In addition, there are many different uncontrolledfactors that also affect the combustion conditions.For  example,  numerous  types  and  models  ofwood  combustion  appliances  in  use,  and  woodfuel can originate  from several tree species. Theoperational  practices  of  RWC  also  vary  widely(e.g.,  fuel  seasoning,  combustion  patterns,combustion  rates,  kindling  approaches  etc.)  andoften these practises are not well established fromthe  emission  point  of  view.  Thus,  the  emissionsfrom RWC have been demonstrated to be highly

Page 16: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

18                                                                           Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

variable  (Nussbaumer,  2003;  Johansson et  al.,2003;  Johansson et  al.,  2004;  Sippula et  al.,2007a).

In  most  cases,  small  wood  combustionappliances  are  not  equipped  with  a  flue  gasfiltering  system.  Because  they  also  have  a  highprobability  of  incomplete  combustion,  whichleads  to  the  production  of  fine  particles  andhazardous  organic  compounds,  RWC  cause  airquality  problems  locally  in  densely  populatedareas  where  wood  combustion  is  common(Glasius et  al.,  2006).  The  dispersion  and  thedilution  of  the  particles  are  dependent  on  theprevailling  weather  conditions  (Boman et  al.,2003b).  Most  problems  occur  during  winterperiods  with  stagnant  weather  conditions,  andwood  combustion  can  result  in  local  particlelevels  comparable  to  heavily  trafficked  streets(Glasius et  al.,  2006).  Because  of  varyingoutdoor  temperatures,  the  use  of  woodcombustion appliances is seasonal and air qualityproblems occur in episodes (e.g. Kukkonen et al.,2005). Emission height in RWC is usually only afew  meters  above  the  ground.  Thereforeemissions  do  not  have  much  time  to  dilute,oxidize  or  react  chemically  before  people  wholive  in  the  neighbourhood  of  wood  combustionare exposed.

Primarily due  to  their health effects,  thereis  a  need  to  decrease  the  particle  and  gaseousemissions  from  wood combustion  in  small  scaleappliances. Because the mechanisms of the healtheffects are not yet known exactly,  studying bothfine  particle  physical  and  chemical  properties  isimportant (Lightly et al., 2000). These properties(e.g.  particle  size  and  morphology,  number  andmass  concentration,  chemical  composition)  aredependent  on  combustion  conditions.  In  future,there will be more stringent emission regulationswhich  will  also  consider  emissions  fromresidential  combustion.  In  many  cases,  flue  gasfiltering  systems  are  still  not  economically

feasible  in  small  scale  appliances,  and  on  theother hand  there  is  a  large  potential  to decreaseemissions  by  developing  the  combustiontechnology itself. Thus, there is actual need to getdetailed  information  from  the  particle  and  gasemissions in small scale appliances. This enablesthe  development  of  low  emission  combustiontechniques  and  increases  understanding  on  therelation  between  certain  health  and  climateeffects  to  put  right  measures  to  reduce  harmfuleffects of from RWC.

Generally,  there  are  several  studies  onemissions  from  wood­fired  appliances  (e.g.Hedberg  et  al.,  2002;  Johansson et  al.,  2004;Koyuncu  and  Pinar,  2007).  However,  there  islack  in  the  present  knowledge,  especiallyconcerning  fine  particle  emissions  and  theircomposition  during  different  combustionconditions.  Moreover,  there  are  not  any  studiesfrom  emissions  in  the  Finnish  context.  Inaddition,  due  to  the  difference  in  climateconditions  and  construction,  the  combustionappliances and operational practices are differentin Finland than in many other countries and thus,the  present  knowledge  can  not  be  directlygeneralized to the Finnish context.

In  this  thesis,  a  general  picture  on  thesignificance  of  different  factors  influencing  thefine  particle  emissions  from  RWC  applianceswas  obtained.  This  thesis  was  focused  on  thechemical  and  physical  composition  of  fineparticle  and  gas  emissions  during  differentcombustion  conditions  from  real  RWCappliances  used  in  Finland,  excluding  theemissions  of  single  organic  compounds  such  asPAH  and  VOC. The  investigation  was  based  onlaboratory  and  field  experiments  applyingextensive and unique particle sampling methods.The  literature  review  part  of  this  thesis  isconcentrated  on  the  formation  of  emissions  inRWC  and  the  combustion  conditions  in  small­scale appliances.

Page 17: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 19

2 Residential wood combustion

2.1 Composition of wood fuel

Fuel properties have an important effect onthe combustion of solid fuel. In contrast to manyother fuels, the volatile matter content of wood ishigh,  typically  80%  by  dry  weight,  and  thatstrongly  affects  the  combustion.  Wood  fuel  iscomposed  primarily  of  carbon  (C),  oxygen  (O)and  hydrogen  (H).  The  carbon  content  of  drywood  is  typically  47–52%,  whereas  the  oxygenand  hydrogen  contents  are  38–45%  and  6.1–6.3%,  respectively  (Van  Loo  and  Koppejan,2008).

Structurally, wood  is composed mainly ofcellulose  (40–45% of dry weight), hemicellulose(20–35%), lignin (15–30%), and to a lesser extentof  extracts.  The  fibre  walls  of  wood  consistmainly  of  cellulose  (C6H10O5),  which  is  acondensed  polymer  of  glucose.  Hemicelluloseconsists of various sugars such as glucose, whichencases  the  cellulose  fibers.  Lignin  (e.g.C40H44O14)  is  a  high  molecular  mass  complexnon­sugar  polymer  that  gives  strength  to  thewood fibre (Van Loo and Koppejan, 2008).

Wood  fuel  also  contains  other  inorganiccompounds  that  are  bounded  to  the  organicstructure  of  wood.  Nitrogen  content  is  low,typically  below  0.5%.  Mineral  content  istypically  below  0.5%.  The main  compounds  arecalcium  (Ca),  potassium  (K),  magnesium  (Mg),manganese  (Mn),  sulphur  (S),  chlorine  (Cl),phosphorus  (P),  iron  (Fe),  aluminium  (Al)  andzinc (Zn) (e.g. Paper IV, Table 1).

In  addition,  wood  fuel  always  containswater. The water content of a dry wood pellet isabout  6%,  whereas  the  water  content  of  woodlogs  is  10–30%, and  that  of  wood  chips  is  evenhigher, up to 60%.

2.2 Wood combustion process

Combustion is a reaction where fuel reactswith  oxygen,  and  this  chemical process  produceheat  energy.  The  combustion  of  fuel  particle  iscomposed   of   several  combustion  phases,  e.g.

drying  and  heating of  fuel,  pyrolysis,  firing  andcombustion. The  first phases need heat, whereasflaming  combustion  and  combustion  of  residualchar  produces  heat.  In  the  combustion  of  woodfuels,  the  combustion  reactions  take  placeprimarily  between  gaseous  products  but  thecombustion  of  residual  char  is  composedparticularly  of  reactions  between  gases  andcarbon in the surface of solid char.

2.2.1 Drying and pyrolysis

In the first phase, the fuel particle warm upto  drying  temperature,  after  which  most  of  thewater  is  vaporized.  The  drying  of  porous  fuelparticle  is  dependent  on  the  fuel  water  content,the  rate  of  heat  transport  and  vapour  pressuresbetween  fuel  and  the  surrounding  (Rogge et  al.,1998;  Simoneit et  al.,  1999;  Van  Loo  andKoppejan, 2008).

Fuel temperature increases and the volatilehydrocarbons begin to vaporize when the surfaceof  the  fuel  has  dried  enough.  Pyrolysis  iscomposed  of  several  complex  parallel  andsequential  chemical  reactions.  In  pyrolysis,  thefuel  constituents  start  to  hydrolyze,  oxidize  anddehydrate, and the large structures (e.g. cellulose,hemicellulose  and  lignin)  degrade.  Duringpyrolysis,  many  different  gaseous  and  liquidproducts  such  as  volatile  organic  compounds,water,  CO2,  H2  and  carbon  monoxide  (CO)  areformed (e.g. Rogge et al., 1998; Simoneit et al.,1999; Van Loo and Koppejan, 2008).

It  has  been  observed  that  thedevolatilization  of  wood  starts,  anddevolatilization  rate  substantially  increases,above  the  temperature  of  200  °C  (Van  Loo  andKoppejan,  2008).  The  decomposition  ofhemicellulose  occurs  at  200–350  °C,  sincecellulose decomposes at 250–450 °C. At 400 °C,most  volatiles  are  gone  and  the  devolatilizationrate  decreases  rapidly.  The  lignin  decomposesthroughout  the  temperature  range  from  200  to500 °C, but the main weight loss occurs at highertemperatures.

Page 18: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

20                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

2.2.2 Combustion

The  combustion  gases  kindle when  theproduction of heat  is higher  than  the heat  lossesto  the  environment.  Typically,  the  products  ofpyrolysis burn as a diffusion flame round the fuelparticle  and  produces  heat  also  for  the  otherpyrolysis  reactions.  The  pyrolysis  gases  areoxidized  in  the  interface  of  air  and  pyrolysisproducts. Because of  the  increased heat rate, thetemperature of the fuel increases, and combustionaccelerates until the production of pyrolysis gasesslows down. During pyrolysis, the ratio of C/H infuel  increases,  and  the  combustion  of  residualchar  starts;  this  is  best  described  as  the  gradualoxidation  of  the  reactive  char  (solid  phasecombustion) (e.g. Rogge et al., 1998; Simoneit etal., 1999).

Although  the  residual  char  content  frombiomass combustion is typically only 10–30% bydry  weight,  the  energy  produced  is  25–50%  ofthe  total  energy  produced  during  combustion.The combustion of  residual char is  composed  ofboth  reactions  between  gaseous  products  andparticularly  reactions  between  gases  and  thesurface  of  solid  char.  The  diffusion  rate  ofoxygen  to  the surface of char is very  slow. Thisrestricts  the combustion  rate of  residual char,  sothe  combustion  of  char  is  the  slowest  phase.Typically  for  example  in  the  wood  logcombustion,  char  combustion  begin  alreadyduring  pyrolysis.  In  addition,  the  combustionreactions occur also inside the residual char, andthus  the  porosity  of  char  strongly  affects  thecombustion  time.  (e.g.  Flagan  and  Seinfeld,1988; Van Loo and Koppejan, 2008).

2.2.3 Batch and continuous combustion

In  RWC  appliances,  the  combustionprocess  can  be  a  continuous  or  batch  typeprocess.  With  continuous  fuel  feeding,  differentcombustion  phases  occur  in  the  fuel  layer,  andcombustion  is  steady,  and  can  be  bettercontrolled  than  in  batch  combustion  appliances.However, the combustion process can be unstableespecially  in  the  interference,  cleaning,  on­offusing  and  low  load  combustion  phases  incontinuous  combustion  appliances.  In  batch

burning  appliances,  there  is  a  distinct  separationbetween combustion phases  in position and time(Van Loo and Koppejan, 2008). The combustioncan  be  divided  into  three  phases:  (1)  the  firingphase; (2) the combustion phase; and (3) the burnout  phase.    Based  on  experience  on  combustionconditions  during  batch  combustion,  in  thisstudy,  the  combustion  phases  are  defined  asfollows:  The  firing  phase  is  defined  as  lastingfrom  the  ignition  of  the  fire  until  the  momentwhen  the  minimum  oxygen  concentration  isreached (Paper I, Figure 2). This phase includesdrying,  warming  and  the  initial  part  of  thepyrolysis of the fuel batch. The combustion phaseincludes  the  strong  and  dying  flamingcombustion. The combustion phase  is  the periodfrom the minimum oxygen concentration up to aconcentration of 14%, and the burn out phase  isfrom  then  on.  In  the  next  batch,  all  thecombustion phases occur again sequentially.

2.3 Requirements for complete combustion

The  most  important  parameters  forcomplete  combustion  conditions  are  (1)  a  highcombustion  temperature,  (2)  a  sufficient  amountof  combustion  air  supply,  and  (3)  adequatemixing  of  combustion  air  and  fuel  gas  (e.g.Nussbaumer,  2003;  Van  Loo  and  Koppejan,2008).

2.3.1 Combustion temperature

The  combustion  temperature  affectsprimarily the burn out of combustion compounds.The  oxidation  reactions  are  faster  and  morecomplete,  and  the  combustion  time  shorter  inhigh  temperatures  than  at  low  ones.  In  RWCappliances,  the  heat  can  be  transferred  byconduction,  convection  or  radiation.  The  heatcapacity  and  density,  thickness,  insulation  andsurface  properties  of  the  material  used  in  thefirebox  affect  the  combustion  temperature.  Forexample, the radiation loss through the glass doorwill be large per unit surface area, compared withthe conductive heat  loss  through  the combustionchamber  walls  per  unit  surface  area  (Van  Looand Koppejan, 2008). For complete combustion,it  is necessary  to  minimize heat  losses  from  the

Page 19: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

2. RESIDENTIAL WOOD COMBUSTION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 21

combustion  chamber.  In  light  stoves,  a  highercombustion  chamber  temperature  can  beachieved  by  improving  the  insulation  of  thecombustion  chamber.  The  capability  of  heatstorage  (ceramic  or  soapstone  material)  inmasonry heaters and brickwork in boilers enablehigher  combustion  temperatures.  In  masonryheaters,  the  hot  closed  firebox  surface  reflectsheat  back  into  the  flame  and  creates  the  gasturbulence  needed  for  complete  combustion.  Inopen fireplaces, cookstoves or camp­fires, due tothe  lack of  radiative heating, much heat  is oftenlost  to  the  surroundings  and  this  restricts  thecombustion  temperature  and  combustion  rate(e.g. Van Loo and Koppejan, 2008).

In  RWC  appliances,  there  is  normally  anoverall  excess  of  oxygen  to  ensure  a  sufficientmixing of combustion air and fuel gas. However,the  combustion  temperature  decreases  as  afunction of the excess air ratio due mainly to theheating  of  inert  nitrogen  in  the  air.  Thetemperature  of  the  combustion  chamber  can  beconsiderably  increased by preheating the air.    Inaddition,  the  vaporization  of  the  fuel  moistureuses  energy  released  from  the  combustionprocess;  it  lowers  the  temperature  in  thecombustion  chamber,  which  slows  down  thecombustion process (e.g. Van Loo and Koppejan,2008).

2.3.2 Combustion air supply

A  sufficient  air  supply  is  also  veryimportant for complete combustion (e.g. Van Looand  Koppejan,  2008).  Although,  a  combustionprocess  may  have  globally  an  excess  of  air,  inmany cases there may be locally deficiency of airdue  to  poor  mixing.  An  overall  lack  of  oxygenleads the smouldering combustion conditions.

The gasification rate of wood is controlledmainly by the primary air supply, but the log andbatch  sizes  (i.e.  total  area  of  wood  logs)  alsostrongly  affect  the  gasification  rate  of  wood  inbatch  combustion.  Thus,  a  restriction  of  the  airsupply  and  too  large  fuel  batches  in  relation  tothe  size  of  the  air  intakes,  which  are  commonoperational errors  in  log­wood heating, cause aninsufficiency of the air supply.

The addition of air in RWC appliances canbe carried out by a forced or natural draught. Thedraught  affects  air  flow  rates  to  the  combustionappliances and also the combustion conditions. Innatural  draught  appliances,  the  chimney  damperis  used  to  control  the  flow  conditions  in  thefirebox, but too low and too high flow rates occurin  practise.  A  too  low  draught  leads  toinsufficient  air  and  the  dying  of  the  fire.  A  toohigh  draught  leads  to  a  lower  combustiontemperature  due  to  the  high  excess  air,  or  anincrease  in  the  gasification  rate  and  aninsufficiency of air, depending on the fuel surfacearea  loaded  in  the  firebox.  In  continuouscombustion  appliances,  flue  gas  fans  or  airblowers  are  used  to  control  the  combustionprocess and draught conditions.

2.3.3 Mixing of combustion air and fuel gas

Complete  combustion  requires  goodmixing  of  secondary  air  and  combustion  gases,and  a  satisfactory  residence  time  for  the  fluegases  for  oxidation  (e.g.  Stehler,  2000;Nussbaumer,  2003).  Good  mixing  reduces  theamount  of  air  needed,  providing  a  local  andoverall  excess  air  ratio  and  higher  combustiontemperature.  Inadequate  mixing  in  thecombustion  chamber  leads  to  local  fuel­richcombustion zones and increases emissions.

Due  to  the high volatile matter content  inwood  fuel,  complete  secondary  combustion  isalso  important  in  wood  combustion.  In  moderncombustion  appliances,  the  combustion  air  issupplied  evenly  in  three  stages  to  the  firebox  orburners.  The  primary  air  regulates  thecombustion  rate,  whereas  the  secondary  andprobable  tertiary air  enhances  secondarycombustion. Introduction of the heated secondaryair  into  the  top  of  the  primary  combustionchamber enhances the ignition of the combustiongases  in  the  secondary  combustion  chamber.  Inmodern  boilers,  O2  or  a  CH  (hydrocarbons)sensor  are  more  and  more  often  used  to  ensuregood  combustion  conditions  and  a  sufficient  airsupply (e.g. Stehler, 2000).

Particularly in the char combustion phase,the  radical  concentrations  may  be  too  low  forcomplete  combustion.  Without  radicals,  the

Page 20: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

22                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

combustion  happens  by  the  diffusion  of  oxygento  the  surface  of  char,  which  is  slow  andincreases  CO  emissions  (e.g.  Flagan  andSeinfeld, 1988; Van Loo and Koppejan, 2008).

2.3.4 Operational parameters

In  addition,  many  uncontrolled  factorsaffect  combustion  conditions  and  emissions(Nussbaumer,  2003;  Johansson et  al.,  2003;Johansson et al., 2004). The combustion of woodfuel is dependent on its chemical (heating value,reactivity),  physical  (heat  capacity,  heatconductivity)  and  structural  (particle  size,density,  porosity)  properties.  For  example,  fueldensity  influences  the  combustion  chambervolume  to  energy  input  ratio,  and  also  thecombustion characteristics and thermal behaviourof  the  fuel.  Operational  practices,  e.g.,  fuelseasoning,  the  distribution  of  fuel  inside  thecombustion  chamber,  combustion  patterns,combustion  rates,  and  kindling  approaches,  alsoaffect emissions.

2.4 Residential combustion appliances

In  many  developing  countries,  biomasscombustion in small appliances is a major sourceof  energy  for  indoor  cooking  and  heating  (e.g.Viau et al., 2000). For example, in India hundredof  millions  of  households  use  biofuels  forcooking  energy  (Venkataraman  and  UmaMaheswara  Rao,  2001).  On  the  other  hand,biomass  fuels  are  combusted  in  grate­firedboilers or co­fired in pulverized coal combustionfrom  a  few  megawatts  up  to  1000  MW.  Inaddition,  large  amounts  of  biomass  burnuncontrolled,  for  example  in  natural  fires(Robinson et  al.,  2007;  Jalava et  al.,  2006).  InFinland, wood is used mainly as an auxiliary heatsource in one­family houses, and is combusted inmasonry  heaters  and  different  types  of  stoves.Different  forms  of  wood  fuels  are  used,  such aswood  logs, densified  logs and pellets, and woodchips.

The common  types  of  RWC devices havebeen  described  by,  for  instance,  Baxter et  al.(2002) and Van Loo and Koppejan (2008). The

most  common  RWC  appliances  can  be  dividedinto  five  categories:  three  types  of  batchcombustion  appliances:  (1)  masonry  heaters,  (2)wood  stoves  and  (3)  wood  log  boilers;  and  twotypes  of  continuous  combustion  appliances:  (4)pellet burners and boilers, and (5) stoker burners.

2.4.1 Masonry heaters

Masonry  heaters  (Paper  I,  Figure  1a,b;Paper  III,  Figure  1)  have  a  very  high  mass,typically  from about 800 to 3000 kg, and can beup  to  6000  kg.  They  are  enclosed  combustionappliances  made  of  masonry  products,  acombination  of  masonry  products  and  ceramicmaterials,  or  soapstone  (Stehler,  2000).  Othersare  covered  with  decorative  tiles  and  weredeveloped in the 1700s as the first efficient woodfiring device in Sweden (Van Loo and Koppejan,2008).  In  these  heaters  wood  is  combusted  in  arelatively short period of time and at high power,which  means  that  the  combustion  rate  andtemperature are high. Typically, the heaters havean  upright  firebox  with  a  glass  door.  In  thecontraflow (e.g. Paper II, Figure 2)  system,  theexhaust  gas  flows  from  the  firebox  to  an  upper­combustion chamber, and goes down through theducts into the chimney from the bottom or top ofthe heater. The energy released (40 to 100 kWh)is  efficiently  stored  (combustion  efficiencytypically 75–85%) in the large mass surroundingthe  firebox  and  the  ducts.  Masonry  heatersproduce  both  primary  and  supplemental  heat,when  the  heat  stored  in  the  stone  mass  slowlyradiates  (at  an average rate  of  1–3  kW)  into  theindoor  air  for  the  next  1  to  2  days,  so  they  arewell  suited  for  Nordic  cold­climate  conditions.Most  of  the  heaters  have  a  conventional  (rift)grate,  and  are  called  conventional  masonryheaters  (CMH).  In  a  Finnish  modern  masonryheater (MMH), in contrast to a CMH, the primaryairflow is controlled and secondary air is directedto  envelop  the  fuel  batch  (e.g. Paper  I,  Figure1b).  Baking  ovens  (Paper  III,  Figure  1),  whichare common in Finland, have a flat grate withoutrifts,  and  the  combustion  air  is  introducedthrough  the  oven  door.  There  are  also  severalcombinations of baking ovens and MHs.

Page 21: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

2. RESIDENTIAL WOOD COMBUSTION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 23

2.4.2 Wood stoves

Wood  stoves  (WS  or  S)  are  free­standing(mass  <800  kg),  enclosed,  not­storing  or  semi­storing  wood  heaters  usually  made  of  steel,sometimes  covered  with  ceramic  materials  orsoapstone  to  increase  heat  storage.  In  Finland,they  are  used  primarily  for  aesthetic  effects  andsecondarily  as  supplementary  heating  sources  inhouses,  and  as  the  primary  source  of  heat  insummer  cottages.  In  warmer  countries  they  areused  both  as  the  primary  source  of  residentialheat  and  for  supplementary  heating.  Stovesrelease heat by  radiation and convection  to  theirsurroundings.  Wood  stoves  control  combustionor burn time by restricting the amount of air thatcan lead the smouldering combustion conditions.In modern appliances, secondary air is preheatedand  introduced  outside  the  primary  combustionzone, in order to get good secondary combustion.In  many  appliances,  the  combustion  chamber  issmall and some are surrounded by ducts throughwhich  floor  level  air  is  drawn  by  naturalconvection, heated, and returned to the room (e.g.Van Loo and Koppejan, 2008).

In the USA, catalytic stoves are also used.These  are  equipped  with  a  ceramic  or  metalhoneycomb  device,  called  a  combustor  orconverter,  which  is  coated  with  a  noble  metalsuch  as  platinum  or  palladium.  The  catalyticcombustor  is  usually  placed  in  the  flue  gaschannel  beyond  the  combustion  chamber.  Thecatalyst material reduces the ignition temperatureof  the  unburned  VOC  and  CO  in  the  exhaustgases,  thus  augmenting  their  ignition  andcombustion  at  normal  stove  operatingtemperatures  (EPA,  1996a;  Van  Loo  andKoppejan, 2008).

In  Finland,  sauna  rooms  are  heated  bysauna stoves (SS: Paper I, Figure 1c; Paper III,Figure  1),  which are  made  of  steel  and have nomeans  of  reserving  the  heat  produced.  Thecombustion technique is very simple. Only abouthalf  of  the  released  energy  can  be  stored  in  thestones on the stove and consequently the exhaustgas temperature is high.  The momentary need ofheating in the sauna room is very high, so SS arealso  operated  at high  power  in  a  similar  way  tomasonry heaters.

Open  fire  heaters  (open  fireplaces)typically have large fixed openings in front of thefire bed and dampers above the combustion areain  the chimney  to  limit room air and heat  losseswhen  the  fireplace  is not being used. They havevery  low  thermal efficiency;  in worst cases  theyconsume more energy than they produce. Insertsare nowadays used to update an existing fireplaceto  a  cleaner­burning  and  more  efficient  heatsource  (EPA,  1996b;  Houck  and  Tiegs,  1998;Van Loo and Koppejan, 2008).

Cookstoves  are  very  common  appliancesused as a source of energy for indoor cooking andheating  in  many  developing  countries.  They  arevery simple appliances, usually simple tripods orthree­stone  stoves,  or  portable  metal  or  ceramiccookstoves with efficiency from 8 to 30 % (Oahnet al., 1999).

2.4.3 Wood log boilers

Central boiler systems deliver heat into theradiator grid of a dwelling. In Finland, underfloorheating  is  the  most  common  in  new  detachedhouses. Heat circulation pumps distribute the hotwater  to  the  radiators,  and  thermostats  regulatethe heating power in the rooms to be heated. Theboilers, which are made of steel, can be dividedinto three categories according to airflow designsin combustion, such as updraught (also known asover­fire),  downdraught  (under­fire)  andcrossdraught boilers (Johansson et al., 2004). Thetraditional updraught wood log boilers operate ina  similar  way  as  wood  stoves  and  masonryheaters.  The  heat  released  in  combustion  isrecovered with a heat exchanger and stored in thewater  space  in  the  boiler. The  most  problematicare multi­fuel boilers, which can burn wood, oil,or  pellets,  but  are  primarily  used  for  wood  logcombustion  with  an  upgraught  technique.Because  of  the small  firebox and water  space  inthe boiler,  the use of multi­fuel boiler without aheat  storage  tank  can  lead  to  smoulderingcombustion conditions. Modern wood boilers areusually  designed  for  downdraught  orcrossdraught  combustion.  Often  they  have  asecondary  combustion  chamber,  which  isnormally insulated with ceramics, and connectedto storage tanks. In crossdraught boilers, because

Page 22: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

24                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

the  flue  gas  flow  resistance  is  quite high, a  fluegas fan is needed. Advanced control devices suchas  O2  sensors,  air  control  and  staged  aircombustion  are  also  used  (Baxter et  al.,  2002;Johansson et  al.,  2004;  Van  Loo  and  Koppejan,2008).

2.4.4 Pellet burners and boilers

Pellet  burners  can  be  installed  separatelyin  water­cooled  multi­fuel  boilers  or  updraughtboilers,  or  integrated with  boilers  (Baxter et  al.,2002; Johansson et al., 2004). Modern applianceshave  heat  control  in  large  power  scale  with  O2sensors, movable grates, effective heat exhangersand large ash­boxes (Stehler, 2000). The feedingof  pellets  from  the  fuel  tank  to  the  burner  istypically  controlled  by  a  fully  automatic  systemconnected to the burner automatics. In the burner,dispensing of pellets is typically done first with aseparate feeding screw through the airtight rotaryfeeder  and  thereafter  by  a  burner  screw  in  theburner  head.  This  enables  fire­safe  operation(Paper  IV,  Figure  2).  The  burners  can  beclassified  into  three  types  according  to  thefeeding  principle:  (1)  top­feed  burners  (alsoknown as gravity  or dropping  feed  or overfeed),(2) under feed (bottom fed) burners, and (3) sidefeed  (or  horizontally  fed)  burners.  Respectively,

the burners can be classified also into four typesaccording  to  the  combustion  principle:  grate­,gasifier­,  bowl­,  and  tube  burner  combustion.Normally, pellet boilers do not have heat storagetanks and  the  boiler  is  set  at  thermostat  control,which results in a cyclic, intermittent operation ofthe  pellet  burner.  Some  burners  operate  with  apilot  flame,  and  others  have  electrical  ignition,during  low  load  combustion  (Johansson et  al.,2003).

Pellet  stoves  and  pellet  fireplace  insertslook  like  wood  stoves,  but  have  active  air  flowsystems  (recycling  of  indoor  air)  and  a  uniquegrate  design  (pellet  burner)  in  the  firebox.  Theyare  thermostatically  controlled,  and  most  havedifferent burn settings (Sippula et al., 2007a).

2.4.5 Stoker burners

Stoker burners operate in a similar way toside  feed  pellet  burners,  but  they  have  largerburner screws and thus are suitable for wood chipcombustion. The  flame burns horizontally  in  thesmall  grate  in  the  burner  head.  The  burner  ismounted partially inside the firebox of the boiler,and partially outside it. The fuel is fed accordingto  the  heat  demand,  and  combustion  air  isintroduced from one or several blowers (Van Looand Koppejan, 2008).

Page 23: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 25

3 Formation of emissionsIn  the  complete  combustion  of

hydrocarbons only CO2 and H2O are produced. Inwood  combustion,  also  unwanted  combustionproducts are always produced, and so in additionto the main gas compounds N2, CO2, H2O and O2,flue  gas  also  contains  e.g.  CO,  H2,  partiallycombusted hydrocarbons,  sulphur dioxide (SO2),nitrogen  oxides  (NOx),  hydrogen  cloride  (HCl)and  different  solid  or  liquid  particles. The  firstfine  particles  formed  in  wood  combustion  aresoot  particles,  which  are  already  formed  in  theflame  from  hydrocarbons.  The  volatilization  ofalkali metals from the fuel leads to the formationof  fine  fly  ash  particles  and  these  also  occur  incomplete  combustion  (Oser et al., 2001;  Bomanet al., 2004; Sippula et al., 2007a,b). In addition,aerosol  from  biomass  combustion  may  includeliquid or  tar­like  parts,  which  are  products  fromthe gas­to­particle conversion of organic vapoursin  cooled  flue  gas.  These  heavy  hydrocarbonsmay  also  condense  onto  existing  particles(Pyykönen et al., 2007) or form new particles bynucleation (Shi and Harrison, 1999). In RWC, thecoarse  particles  are  ejected  mainly  from  bottomash and formed from low volatile ash compoundsand  partially  unburnt  char  (Flagan  and  Seinfeld,1988; Wiinikka, 2005).

3.1 Formation  of  gaseous  emissions  andorganic particles

In  complete  combustion,  C,  H  and  O  infuel  form  only  CO2  and  H2O.  Water  vapourforms when water evaporates from fuel or duringhydrogen  oxididation.  CO2  is  not  considered  tobe  a  greenhouse  gas  emission  in  biomasscombustion  because  forests  and  plants  recyclecarbon  dioxide  when  growing.  Wood  fuels  alsocontain  N,  S  and  volatile  mineral  compounds.NOx  compounds  in  flue  gas  are  formed  mainlyfrom  fuel  nitrogen.  At  high  temperatures  (over1400  °C),  NOx  is  also  formed  from  N2  incombustion air, but this is unlikely in RWC. N2Ois  a  very  efficient  greenhouse  gas  (Seinfeld  andPandis, 1998),  but  N2O  emissions  from  biomasscombustion  are  typically  low  (Van  Loo  and

Koppejan,  2008).  In  addition,  NOx  and  volatileorganic compounds take part in the formation ofsecondary  organic  aerosol  (SOA)  in  theatmosphere  (Presto et  al.,  2005;  Kleindienst etal., 2006; Robinson et al., 2007). Sulphur in fueloxidizes  to  SOx  in  combustion.  SOx  and  NOxcompounds are also involved in the formation offine ash particles, and sulphur can form sulphuricacid  (H2SO4).  In  addition,  particularly  from  fuelwith  high  chlorine  content,  gaseous  HCl  mayform  to  a  significant  extent.  In  contrast  toagricultural  fuels, wood fuel contains only smallamounts  of  N,  S  and  volatile  alkali  metals,  andthus  NOx,  SO2  and  HCl  emissions  are  typicallylow (Van Loo and Koppejan, 2008).

The  combustion  of  wood  fuels  in  small­scale  appliances  is  always  partially  incompletedue  to  local  incomplete  combustion  conditionsaround  the  flame,  low combustion  temperatures,an  insufficient  air  supply  or  poor  mixing  ofcombustion  gases  and  air.  As  a  result,  CO  andvolatile  hydrocarbon  emissions  are  formed.  Inbatch combustion, when char combustion begins,the  combustion  chamber  temperature  decreases,which  leads  in most  cases  to  a  level  below  thatsufficient for the complete oxidation of CO. If thecombustion is highly incomplete, heavy complexorganic  compounds  are  released  to  the  flue  gas.Poor  combustion  conditions  can  also  beassociated  with  natural  fires  that  are  a  largesource  of organic matter  in  the atmosphere  (e.g.Robinson et al., 2007).

Organic  compounds  can  occur  as  bothgaseous  and  solid  particles.  They  are  typicallydivided according to their boiling points into veryvolatile  (VVOC),  volatile  (VOC)  andsemivolatile organic carbon  (SVOC) comboundsand  particle  phase  compounds  (POM,  particleorganic  matter)  (Tucker,  2001)  or  into  thecorresponding  functional  group  of  molecularstructure  (alkanes,  alkenes,  aromatics  etc.).Incomplete  biomass  combustion  produceshundreds  of  different  organic  compounds  (e.g.Rogge et al., 1998; McDonald et al., 2000; Lee etal.,  2005;  Mazzoleni et  al., 2007;  Alfarra et  al.,2007).  One  of  the  most  important  VOC  from

Page 24: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

26                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

biomass  combustion  is  methane  (CH4)(Johansson et  al.,  2004),  which  is  also  a  verystrong  greenhouse  gas.  The  warming  effect  ofCH4 is 21­fold that of CO2 (Seinfeld and Pandis,1998).  Polycyclic  aromatic hydrocarbons  (PAH)are  formed  in  the  flame  in  local  fuel­rich  areaswhen  hydrocarbons  polymerize  instead  ofoxidizing (Flagan and Seinfeld, 1988).  In RWC,PAH  compounds  may  also  form  from  lightorganic  compounds  or  from  incompletecombustion of pyrolysis gases.

The  particle  formation  mechanisms  areshown  in  Figure  1.  Aerosol  from  incompletewood  combustion  may  contain  liquid  or  tar­likeparts, which are products from the gas­to­particleconversion of organic vapours in cooled flue gas,usually  far  below  the  temperature  of  500  °C(Figure  1,  line  4).  Depending  on  environmentalconditions, organic compounds can be present inliquid or gaseous form. Heavy hydrocarbons maycondense onto existing particles (Pyykönen et al.,2007)  or  form  new  particles  by  nucleation  (Shiand  Harrison,  1999).  If  there  are  pre­existingparticles  in  flue  gas,  it  has  been  previouslyreported  (Pyykönen et  al.,  2007)  thathydrocarbons  condense  onto  existing  particlesrather  than  forming new  particles  by  nucleation.The  condensation  of  particles  continues  in  thechimney  and  atmosphere  when  the  combustionaerosol  cools  and  is  diluted.  Evaporation  andoxidation  of  organic  aerosol  is  probable  in  theatmosphere  (Robinson et  al.,  2007).  Thus,  theparticle  properties  of  fresh  RWC  aerosol  inwinter  are  different  from  those  of  aged  aerosolespecially in summertime.

3.2 Formation of soot particles

Soot  particles  are  formed  mainly  in  theflame  from  hydrocarbons.  The  soot  formationmechanisms are complex, and although there areseveral studies of the formation of soot particles,they are not yet well understood (e.g. Bockhorn,1994; D’Anna et al., 1994; Ishiguro et al., 1997;Kozi ski  and  Saade,  1998).  Most  soot  particlesform  in  the  fuel­rich  zone  inside  a  diffusionflame  and  grow  rather  than  oxidize  to  CO  orCO2.  Because  of  the  insufficient  mixing  ofcombustion  gases  and  air  in  RWC,  the  flame

zone  always  contains  fuel­rich areas  even  in  thepresence of overall excess air during combustion.

In  the  first  step  of  soot  formation,  PAHcompounds polymerize  (Figure 1,  line 1).  In thenext  step,  the size of PAH compounds  increasesand  high  PAH  levels  are  reached.  As  a  result,typically about 1–2 nm soot nuclei are producedby  nucleation.  After  this,  the  nuclei  increase  bysurface reactions and coagulation, and form about10 nm core particles. More PAH compounds arebonded to the surface of core particles by surfacereactions  and  this  leads  to  the  formation  ofprimary  soot  particles  (e.g.  Bockhorn,  1994;D’Anna et al., 1994; Ishiguro et al., 1997).

It  has  been  observed  that  the  primaryspherules  are  composed  of  lamella­likecrystallites  (Ishiguro et  al.,  1997).  The  structureof these crystallites resembles that of graphite. Inthe  outer  shell  of  these  spherules  the  crystallitestructure is directed according to the shape of thesurface,  but  in  the  spherules  they  are  randomlyarrayed. The formation of the outer shell of sootspherules and the agglomeration of spherules areparallel  and  simultaneous.  The  surface  of  aspherule  is  composed  of  very  stable  elementalcarbon (EC) (Ishiguro et al., 1997).

The  number  concentration  of  carbonspherules in the flame is extremely high and thusthe  formation  rate  of  soot  agglomerates  is  alsohigh.  Most  of  the  soot  particles  burn  in  theoxygen­rich  zone  in  the  flame  (Amann  andSiegla,  1982;  Wiinikka,  2005),  but  a  minor  partof  the  soot  particles  is  released  as  agglomeratescomposed  of  about  30–50  nm  solid  carbonspherules  (Figure  1,  line  1).  The  extent  of  sootoxidation determines  the size and number of  thesoot particles released.

Both  the  combustion  conditions  and  thequality  of  gaseous  compounds  influence  sootformation  (Bartok et  al.,  1991).  The  effect  oftemperature/heat  input  and  oxygen/local  mixingconditions appear to be important within both thepre­particle  chemistry,  responsible  for  theformation of incipient soot particles, and the sootsurface­mass growth (Kozi ski and Saade, 1998).The oxygen content of dry wood is about 40%. Inthe pyrolyzation zone of the diffusion flame, theoxygen may increase the soot  formation becauseit catalyses pyrolysis reactions more than do fuels

Page 25: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

3. FORMATION OF EMISSIONS

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 27

that  contain  no  oxygen  (Flagan  and  Seinfeld,1988).

3.3 Formation of ash particles

In  good  combustion  conditions,  fineparticle  emissions  are  formed  mainly  by  thevaporization  of  ash­forming  elements  from  thewood fuel (Sippula et al., 2007a,b; Figure 1, line2).  The  formation  of  fine  ash  particles  begin  byhomogenous  nucleation,  when  the  temperaturedecreases after the flame, and the vapour pressureof  ash  species  also  decreases  (Jokiniemi et  al.,1994;  Boman et  al.,  2004).  The  vaporization  isdependent  on  the  chemical  composition  of  thewood  and  the  reactions  of  inorganic  species(Olsson et  al.,  1997;  Davidsson et  al.,  2002;Knudsen et al., 2004; Sippula et al., 2007a). Mostmineral  compounds  are  bound  to  the  organicstructure of biomass fuels and are easily releasedduring  the  pyrolysis  of  fuel.  The  combustiontemperature  has  an  important  influence  onvaporization,  so  that  greater  amounts  of  ashparticles are released at high temperatures than atlow ones (Davidsson et al., 2002; Knudsen et al.,2004).

In  wood  fuels,  potassium,  sulphur,chlorine and sodium are very volatile. Further, inthe  reducing  area  of  flame,  species  that  havelower  vapour  pressure  such  as zinc and  calciummay  also  volatilize  (Knudsen et  al.,  2004).  Inwood  combustion,  the  fine  fly  ash  is  composedmainly  of  potassium  compounds  such  aspotassium  sulphate  (K2SO4),  potassium  chloride(KCl),  potassium  hydroxide  (KOH)  andpotassium carbonate (K2CO3) (Christensen et al.,1998;  Valmari et  al.,  1998;  Silva et  al.,  1999;Boman et al., 2004;  Sippula et al., 2007a).

The  release  of  alkali  metals  is  influencedmainly by the fuel chlorine, sulphur and differentsorbent  mineral  concentrations.  High  chlorinecontent has been found to enhance the release of

alkali  metals  due  to  the  formation  of  volatilealkali  metal  chlorides  (Olsson et  al.,  1997;Knudsen et  al.,  2004).  Knudsen  et  al. (2004)observed that the ratio of molar ratio of K/Si andCl/K is important for alkali emissions. If there aresilicates  present,  the  aluminium  and  siliconcompounds  can  react  with  potassium,  formingmore  stable  compounds  (Jensen et  al.,  2000;Davidsson et  al.,  2002).  Thus,  a  low  K/Si  ratiohas  been  observed  to  limit  the  release  ofpotassium.  A  high  Cl/K  ratio  increases  therelease  of  alkali  metals,  since  the  chlorineprevents  the  potassium  from  combining  withsilicates and instead favours high vapour pressurevolatile formation (Dayton et al., 1999; Knudsenet  al.,  2004).  In  contrast, a  sufficient  amount  ofsulphur  in  the  fuel  may  inhibit  the  effect  ofchlorine throughout a sulfation reaction, in whichthe  alkali  metal  chloride  is  converted  to  lessvolatile  alkali  metal  sulphate  (Sippula et  al.,2008).  Further,  sulfation  of  other  alkali  metalspecies  such  as  hydroxides  may  decrease  therelease of alkali metals.

Very  high  fuel  ash  content  in  agriculturalbiomass,  for  example,  may  lead  to  operationalproblems such as fouling, slagging and corrosionof heat transfer surfaces in boilers, which reduceefficiency,  and  may  even  lead  to  costlyshutdowns  and  repairs  (Dayton et  al.,  1995;Blander and Pelton, 1997; Davidsson et al., 2002;Lindström et al., 2007).

The coarse (~1–10 µm) particles occurringin  biomass  combustion  are  formed  from  lowvolatile ash compounds and partially are unburntchar (Figure 1, line 3). At low temperatures, largeash  agglomerates  are  formed  by  agglomeration,but  in  sufficiently  high  temperatures  ashcompounds  may  melt  and  form  regular  ashdroplets  (Flagan  and  Seinfeld,  1988).  Supercoarse  particles  (>10  µm)  are  formed  fromresidual fly ash particles that are ejected from thefuel  bed  and  carried  upwards  by  the  gas(Wiinikka, 2005).

Page 26: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

28                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

Release ofpyrolysis gases

Vaporization(K, Na, S, Cl, Zn...)

Char formation

Ejection ofcoarse fly ash andunburnt char particles

Coarse fly ash andunburnt char particles

Coarse particles    (1–10 µm)

Super coarse particles          (>10 µm)

Formation ofbottom ash(e.g. K Ca (SO )2       2        4  3

Charburn out

Sulphation     andoxidation

Nucleation/condensation    of alkalisulphates              and zinc

Coagulation     andcondensation

Condensation ofalkali chlorides

Condensation     and/ornucleation oforganic vapours

Agglomeration andmelting of low volatile species(Ca, Fe, Si, Ti...)

CO

O2

CO22H O

C HX Y

Formation of lamella­like crystals

Formation ofsoot nuclei

Surfacegrowthandcoagulation

Formation ofcore particles

Formation of primarysoot particles

Agglomeration

Oxidation andburn out of sootparticles

Formation ofsoot agglomerates

Inception

PAH polymeration

1­2 nm

10 nm

30­50 nm

50­1000 nm

Nucleation

PAH formation

(1)

(2)

(4)

(3)

Fine particles (<1 µm)Soot, POM and fine fly ash(K SO , K  l etc.)2       4 C

Fuel

Figure 1. Illustration of the soot formation process (1), fine ash (2), coarse particles (3) and particleorganic matter (POM) (4) during residential wood combustion according to Wiinikka (2005), Ishiguro

et al. (1997) and Bockhorn (1994).

Page 27: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 29

4 Aims of this studyThe  objective  of  this  study  was  to  assess

the  role  of  different  factors  influencing  fineparticle  emissions  from  RWC.  The main  factorsstudied  were  fuel,  combustion  appliances,operational practices, and measurement methods.The  investigation  was  based  on  laboratory  andfield experiments applying extensive quantity andquality  characterisation  of  gas  and  particlespecies and unique particle sampling methods.

The specific aims of the study were:

• To  study  the  influence  of  combustionphase on emissions (Paper I).

• To  characterise  the  fine  particles  inrelation  to  combustion  appliance  andcombustion conditions (Papers I–IV).

• To  clarify  how  operational  practicesaffect  emissions  from  Finnishappliances (Papers I–III).

• To determine  the effect of biomass  fuelproperties  on  fine  particle  and  gasemissions  from  a  residential  burner(Paper IV).

• To define emission  factors  for  the mostcommon Finnish heaters, to compare theresults  with  those  of  other  studies,  andto  provide  uncertainty  ranges  of  theemission  factors  used  in  emissioninventories (Papers I–IV).

Page 28: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 29: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 31

5 Measurement methodsThe  measurement  of  fine  particles  from

RWC appliances is very challenging. The particlesize range is very large, and the flue gas containsparticles  that  vary  from  nanometers  tomicrometers  in  size.  In  addition,  fine  particlesoccur  in  three  states  in  the  flue  gas:  soot,inorganic  ash  or  organic  species,  which  mayoccur  in  the  gas  phase  prior  to  sampling  andnucleates or condenses during sampling. Severalmeasurement devices have to be used if both thephysical and chemical properties of fine particlesare  to be measured. Because  of  the variable  andat  least  temporarily  high  vapour  and  particleconcentration  and  high  temperature  in  the  fluegas,  the sample gas has to be diluted before it  isled  to  the  measurement  devices.  The  optimaldilution  ratio  (DR)  varies  between  differentdevices.

In  this  chapter,  the  combustionarrangements  and  the  measurement  techniques

and  devices  that  were  used  are  introduced.  Themeasured appliances and combustion procedureshave  been  introduced  in Papers  I–IV.  Theexperiments are summarized in Table 1.

5.1 Combustion arrangements, particlesampling and dilution

Laboratory  measurements. In  thelaboratory  combustion  experiments  in  the  batchcombustion  (Papers  I–II),  the  appliance  wassituated on a scale to enable the measurement offuel  mass  flow  (Figure  2).  To  mimic  a  naturaldraught,  the  combustion  gases  were  led  throughan externally insulated steel stack placed below ahood. The draught in the stack was adjusted usinga flue gas fan, changing the location of the hood,and  with  a  damper  mimicking  natural  draughtconditions

Balance

Combustion  appliance

Filtration

Stack

Hood

Dilution tunnel

  To gasanalyzing    rack  To

FTIR

To particle  samplersTo particle

  samplers

ED   PRD

T = ThermocoupleP = Pressure sensorPRD = Porous Tube DiluterED = Ejector DiluterFTIR = Fourier Transmission            InfraRed Analyzer        = Thermal insulation

Air valve

Flue gas    fan

Constant volume   pump

PT

T

T

T

Figure 2. Experimental set­up of the fine particle and gas measurement from the RWC appliance. Thedilution tunnel method and porous tube diluter with ejector diluter are parallel techniques for fine

particle sampling and dilution. The used particle samplers are shown in chapters 5.2–5.6.

Page 30: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

32                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

Before  particle  measurement,  the  sampleflow  was  diluted  in  a  dilution  tunnel  (DT)  or  aporous tube diluter (PRD) with an ejector diluter(ED, Dekati Ltd.).  In  the dilution tunnel methodthe dilution air was filtered in three stages, wherea  pre­filter  removes  coarse  particles,  a  chemicalfilter removes hydrocarbons and nitrogen oxides,and a post­filter removes  fine particles. A partialflow from the stack was led through an externallyinsulated 12 mm steel pipe to the dilution tunnelby the negative pressure in the tunnel.

The  total  air  flow  in  the  tunnel  wasadjusted with a constant volume pump (flow rate0–1200  m3  hr­1)  and  the  low  pressure  of  thetunnel  was  controlled  with  an  air  valve  situatedafter the filters, giving a typical DR of 50 to 300.In  two  of  the  laboratory  combustion  tests,  EDswere  used  (Table  1).  This  kind  of  dilution  isdiscussed in more detail in Lyyränen et al. (2004)and Wierzbicka et al. (2005).

Field  measurement. In  the  fieldexperiments  (Paper  III),  the  measurementdevices  were  installed  inside  a  box  (volume  1.4m3).  This  box  was  heated  in  a  van  about  1.5hours before and during the measurements with athermostat­controlled  heater  (2  kW),  and  waselevated near the chimney with a telehandler. Thesampling probe  was situated  in  the center of  thechimney (at a depth of about 30 cm). Electricitywas  produced  by  a  32  kW  diesel  generator  andpressurized  air  by  a  compressor  (both  on  theground).

For  particle  measurements,  a  partial  flowfrom  the  stack  was  led  through  an  externallyinsulated 8 mm steel pipe connected to a specialsampling  probe  with  a  10  µm  pre­cyclone.  Thesample  flow  was  diluted  in  two  steps.  The  firstdilution,  with  filtered  (particle­,  hydrocarbon­and  water­free)  and  heated  (180  °C)  air,  tookplace in the PRD to minimize particle losses andtransformation  (Lyyränen et  al.,  2004).  Thesample  was  further  diluted  with  the  ED  tostabilize  the  sample  flow  through  the  wholemeasurement system and  to ensure good mixingwith  dilution  air,  giving  a  total  (typical)  DR  of30–70.  This  particle  measurement  system  wasused in the measurements in Papers III and IV.Temperatures were monitored continuously fromthe  combustion  appliance,  exhaust  gas,  particle

sample lines, dilution tunnel and laboratory roomair  using  thermocouples.  In  addition,  otherparameters, such as draught, was monitored.

5.2 Particle  number  and  number  sizedistribution measurements

Particle  number  emissions  and  numbersize distributions were measured in real time withan  Electrical  Low  Pressure  Impactor  (ELPI,Dekati  Ltd.;  Keskinen et  al.,  1992),  and  a  FastMobility Particle Sizer (FMPS, TSI 3091). In theELPI,  the  particles  are  first  charged  and  thenenter  a  cascade  low  pressure  impactor  withelectrically  insulated  collection  stages.  Theparticles  are  collected  in  the  different  impactorstages  according  to  their  aerodynamic  diameter,and  the  electric  charge  carried  by  the  particlesinto each impactor stage is measured in real timeby  sensitive  multichannel  electrometers.  Thismeasured  current  signal  is  directly  proportionalto  the  particle  active  surface  area  andaerodynamic  size  (Keskinen et  al.,  1992).  Theactive  surface  area  can  then  be  converted  toparticle  number  concentration.  Because  of  itswide particle size range (7 nm to 10 µm) and fastresponse  time,  the  ELPI  is  a  suitablemeasurement  instrument  for  the  analysis  ofunstable  concentrations  and  size  distributions  inresidential  combustion  (e.g.  Hays et  al.,  2003;Johansson et al., 2004), and it is also widely usedin  the  measurement  of  particle  emissions  frommotor vehicles  (e.g. Ahlvik et al., 1998; Maricqet al., 1999; Tsukamoto et al., 2000) and powerplants (e.g. Moisio, 1999).  In this study, both 10and  30  lpm  flow  rates  were  used.  The  sinteredimpactor  stages  were  in  most  of  themeasurements.

In  the  FMPS,  particles  are  positivelycharged  to  a  predictable  level  using  a  coronacharger.  The  charged  particles  are  thenintroduced  to  the  measurement  region  near  thecenter  of  a  high  voltage  electrode  column  andtransported  down  the  column  via  HEPA­filteredsheath  air.  A  positive  voltage  is  applied  to  theelectrode,  which  creates  an  electric  field  thatrepels  the  particles  outward  according  to  theirelectrical  mobility.  Comparable  older  systems,  aDMPS  (Differential  mobility  particle  sizer)  and

Page 31: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

5. MEASUREMENT METHODS

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 33

an SMPS (scanning mobility particle sizer), havebeen widely used in atmosphere and combustionstudies  (e.g. Gaegauf et al., 2001; Wierzbicka etal., 2005).  In  the FMPS, charged particles strikethe  respective  low­noise  electrometers  andtransfer  their  charge.  A  particle  with  highelectrical  mobility  strikes  an  electrometer  nearthe  top,  whereas  a  particle  with  lower  electricalmobility  strikes  an  electrometer  lower  in  thestack.  This  system  produces  particle  sizedistribution  measurements  with  one­secondresolution.  The  FMPS  measures  particles  in  thesubmicron  range  from  5.6  to  560  nm.  The  sizerange is smaller than in the ELPI, but the numberof  size  channels  is  higher,  which  gives  betterresolution  especially  for  ultrafine  particles.  TheFMPS  operates  at  a  high  flow  rate  (10  lpm)  tominimize  diffusion  losses  of  ultrafine  andnanoparticles.  It  operates  at  ambient  pressure  toprevent evaporation of volatile particles.

The  FMPS  is  also  suitable  for  studies  oftransient emission from stacks, boilers, and woodburners,  but  it has not  been  used  earlier  in  suchstudies.  Because  the  ELPI  is  widely  used  inparticle  studies  and  it  gives  a  wide  particle  sizerange,  while  the  FMPS  gives  a  good  resolutionfor  ultrafine  particles,  the  combination  of  theFMPS and  the ELPI gives a good picture of  theparticle  number  concentration  and  number  sizedistributions presented in this thesis.

5.3 Particle mass and mass size distributionmeasurements

In RWC, the obtained emission factor andchemical  composition  of  the  particle  mass  isstrongly  dependent  on  the  measurementtechnique  used.  The  most  important  question  is,whether  the sampler collects  organic material ornot  (e.g.  Hildemann et  al.,  1989).  The  effect  ofthe measurement technique on emission factors isdiscussed in more detail in chapter 6.3.

The PM1 samples were collected on filtersfrom  diluted  gas  using  a  pre­impactor  (DekatiLtd.)  with  a  cut­off  size  of  1  µm  to  ensure  theremoval  of  coarse  particles  before  the  filterholders.  The  PM1  samples  for  gravimetric  andelemental  analyses  were  collected  on  47  mmTeflon membrane  filters  (polytetrafluoroethylene

(PTFE)) (Gelman Scientific, Teflo). The samplesfor  organic  and  elemental  carbon  analysis  werecollected  in  two parallel  lines  on  47  mm  quartzfiber  filters  (Pallflex,  Tissuequartz).  Both  lineshad  a  quartz  backup  filter,  to  correct  a  positivesampling artefact from the adsorption of gaseousorganic compounds on quartz fibre filter material(McDow and Huntzicker, 1990).

Particle  mass  size  distributions  weremeasured using a Dekati Low Pressure Impactor(DLPI,  Dekati  Ltd.).  This  cascade  impactorclassifies airborne particles into 13 size fractions.The  particles  are  collected  on  25  mm  collectionsubstrates  that  are  weighed  before  and  aftermeasurement  to  obtain  a  gravimetric  sizedistribution  of  the  particles.  The  DLPI  impactorhas  the same design as  the  impactor used  in  theELPI.  Low­pressure  cascade  impactors  arewidely  used  in  combustion  studies  (e.g.Kauppinen and Pakkanen, 1990; Johansson et al.,2003; Pagels et al., 2003; Lillieblad et al., 2004;Wierzbicka et  al.,  2005;  Wang et  al.,  2007).  Inthis study, the DLPI was used with a flow rate of10 lpm and a cut­off size ranging from 28 nm to9.84  µm  with  greased  Al­foils  as  collectionsubstrates.

The  filters  and  Al­foils  for  gravimetricanalysis  were  kept  for  24  h  at  a  constanttemperature  of  20  °C and  a  relative  humidity  of40% before weighing, and were weighed using amicrobalance  (Mettler  Toledo  MT1)  of  1  µgsensitivity. The weighing procedure  is presentedin detail in Tiitta et al. (2002).

5.4 Analysis of particle chemicalcomposition

There  are  several  different  methods  andprotocols  to determine  organic  carbon  (OC)  andelemental carbon  (EC) concentrations of particlematter.  The  results  are  affected  by  thermalevolution  temperatures,  pyrolysis  corrections,analysis  atmosphere  compositions,  presence  orabsence  of  oxidizing  minerals  and  catalysts,vapor adsorption, and optical pyrolysis correctionmethods. Watson et al. (2005) reviewed differentmethods and concluded that different studies givedifferent results for method comparisons, and thatthe  citation  of  a  single  comparison  study  is

Page 32: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

34                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

insufficient  to  establish  comparability.  Moresystematic  comparisons  are  needed  that  holdmost variables constant while varying only a few.In  this  study,  one of  the most  common methodswas  used.  The  OC,  EC  and  carbonate  carbon(CO3 )  fractions  were  determined  from  quartzfilter  samples  with  a  thermal­optical  methodusing  a  carbon  analyzer  constructed  by  SunsetLaboratories.  The  analyses  were  performedaccording  to  the  National  Institute  forOccupational Safety and Health (NIOSH) method5040 (NIOSH, 1999). The OC was measured in ahelium atmosphere at 300 (OC1), 470 (OC2), 610(OC3), 865 (OC4) °C, and the EC in a 2% oxygen98%  helium  atmosphere  in  550,  620,  700,  780,850  and  865  °C.  Correction  of  pyrolyticconversion of OC  to EC (Pyrol C)  was done  bylaser  transmission  measurement.  Correction  ofthe gaseous phase organics absorbed in the filtermaterial  was  performed  by  analyzing  the  OCcontent in the back­up filter, and subtracting thisamount from that of the front filter OC (Figure 2,Paper III). The CO3 content of the samples wasdetermined  indirectly by performing  two runs ofeach  filter  sample  and  exposing  the  secondsample  punch  to  HCl  vapor,  which  is  presumedto break down the carbonates and, consequently,release  the  carbonate  carbon  as  CO2.  Thus,  thedifference  between  total  carbon  results  gives  anestimate  of  the  carbonate  carbon  content  in  thesample (Sippula et al., 2007a).

Conversion of the organic carbon (OC) tototal  organic  matter  (OM) requires  a  conversionof  the  mass  of  the  organic  carbon  to  the  totalmass of the organic compound using a factor thataccounts  for  the  oxygen,  hydrogen,  and  someother elements present.   This  scale  factor  rangesbetween  1.2  and  1.4  for  typical  atmosphericsamples  (Gray et  al.,  1986)  and  up  to  2.0  forwood  combustion  samples  (Turpin  and  Lim,2001).  In  this  study,  a  scale  factor  of  1.8  wasused.

The elemental analyses (Ag, Al, As, B, Ba,Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, K, Li, Mg, Mn,Mo, Na, Ni, Pb, Rb, Sb, Se, Sr, Th, Ti, Tl, U, V,Zn)  were  performed  by  Inductively  CoupledPlasma  Mass  Spectrometry  (ICP­MS,  hydrogenfluoride nitric acid dissolution), and anions (Br ,

Cl , F , SO4 , NO3 , PO4 ) were performed byion chromatography (IC) (water elution).

5.5 Analysis of particle morphology

Transmission  electron  microscopy  (TEM)and  scanning  electron  microscopy  (SEM)  arevery  powerful  tools  to  study  the  shape  andmorphology  of  particles.  Equipped  with  energydispersive spectroscopy (EDS), they also provideinformation  about  elemental  composition.  WhileTEM  allow  a  higher  resolution  down  to  anatomic  scale,  SEM  usually  has  a  better  contrastand leaves more freedom to choose the samplingsubstrate  (Burtscher,  2001).  Usually  very  thin,often copper grids, coated with a carbon film, areused for TEM sampling. The quality of this filmand  the  sampling  time  play  an  important  role  inobtaining a good  resolution.  If  samples are usedfor  quantitative  analysis  of  the  size  distribution,for example, care has to be taken to have a well­defined size dependence of the sampling process.Both electric field and suction sampling are used.The  particles  in  the  grid  surface  may  coagulateduring sampling with an electric field, whereas asuction sampler collects single particles.

In this study, particle samples for electronmicroscopy  were collected  in  the stack on holeycarbon copper grids using suction sampling. Thesamples  were  analysed  by  a  scanning  electronmicroscope  (Leo  DSM  982  Gemini)  and  atransmission  electron  microscope  (Philips  CM­200  FEG/STEM  operated  at  200  kV),  includingelemental  analyses  of  the  single  particles  fromTEM samples by EDS.

5.6 Gas measurements

Single gas analyzers are generally used incombustion experiments and are also suitable forRWC  measurements.  In  the  laboratorymeasurements  the  sample  for  the  gas  analyzerswas  taken  straight  from  the  stack  through  aninsulated  and  externally  heated  (180 °C)  sampleline. Particles were removed  from the sample airby  a  ceramic  filter  unit.  In  the  laboratorymeasurements  the  gaseous  compounds  weremeasured  continuously  with  an  analyzing  rack(ABB Cemas Gas Analyzing Rack) for CO, CO2,

Page 33: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

5. MEASUREMENT METHODS

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 35

NOx  and  O2.  The  organic  gaseous  substances(OGC,  shown  as  organically  bound  compounds)were  analyzed  with  a  flame  ionization  detector.The  analyzer  was  calibrated  against  propane(C3H8).  In  addition,  in  the  field  and  laboratorymeasurements the gaseous compounds (NOx, CO,

CO2,  H2O,  SO2,  HCl  and  28  calibrated  volatileorganic compounds) were measured continuouslywith a Fourier Transform Infrared (FTIR, GasmetTechnologies  Ltd.)  analyzer.  The  oxygenconcentration was measured with a separate CrO­cell  integrated  into  the  FTIR  analyzer.

Table 1. The combustion appliances, fuels, test variables and measurements used in the experiments.Used inpublication I II III IV

Test place laboratory laboratory field laboratory

Combustionappliances

MMH; CMH; SS CMH MMH; CMH; S;BO; SS

pellet burner

Fuel birch wood logs birch wood logs mainly birch woodlogs

wood pellet; oat;rape; mixed fuels

Test variables combustionappliances;

batch and log size;combustion phases

operational practice:normal and smouldering

combustion (batch and logsize and restrictedcombustion air)

habitual use ofappliances

fuel; nominal andpartial load

Other combustion processin batch combustion

particle formation field measurementtechnique

combustion processin continuouscombustion

Dilution DT; EDsDR = 50:1–300:1

DTDR = 180:1–330:1

PRD+EDDR = 28:1–72:1

PRD+EDDR = 39:1–75:1

Particle massanalysis

PM1, teflon PM1, teflon;DLPI

PM1, teflon PM1, teflon;DLPI

Particle numberand sizeanalysis

ELPI ELPI; FMPS ELPI: FMPS ELPI; FMPS

Carbon analysis thermal­optical ­ thermal­optical thermal­optical

Ion analysis IC ­ IC IC

Metal analysis ICP­MS ­ ICP­MS ICP­MS

Morphologyanalysis

­ Suction sampling,SEM; TEM

­ ­

Gas analysis O2; CO2; CO; NOx;OGC

O2; CO2; CO; NOx; OGC O2; CO2; CO;NOx; SO2; HCl;VOCs (FTIR)

O2; CO2; CO; NOx;SO2; HCl; VOCs

(FTIR)

Other analysis ­ ­ PAH ­

Page 34: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 35: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 37

6 Results and discussion

6.1 Fine particle and gas emissions fromRWC

Detailed  emission  factors  from  literatureand  this  study  are  shown  in  Table  1–3  inAppendix I.

6.1.1 Particle number emissions and numbersize distributions

Number  emission  results  from  RWC  arescarce and two primary methods have been usedin  measurements.  Mobility  Particle  Sizers(FMPS, SMPS and DMPS) measure  the numbersize  distributions  based  on  particle  electricalmobility,  whereas  the  ELPI  classifies  particlesaccording to their aerodynamic diameter. Resultsfrom these measurements are shown in Table 1 inAppendix  I.  No  significant  and  systematicdifference  between  electrical  mobility  andaerodynamic  number  emission  results  wereobserved.  Generally,  the  particle  numberemissions  from  RWC  appliances  were  high.  Onaverage,  there  were  no  clear  differences  innumber  emissions  between  different  applianceseither.  The  particle  number  emission  measuredby the ELPI from wood pellets varied from 1.0 ×1014 g kg­1 to 8.1 × 1014 g kg­1, whereas emissionsfrom  the  MMH  varied  between  1.3–5.9  ×  1014

kg­1  and  from  metal  stove  and  CMH    between2.8–7.0  ×  1014  kg­1  in  laboratory  measurements(Appendix  I,  Table  1; Paper  I–IV).  In  fieldmeasurements,  the  number  emissions  werehigher, 8 × 1014 kg­1 from MMH (Paper III) and24–42  ×  1014  kg­1  from  CMHs  (Paper  III),  thesame as in laboratory measurements.

The  particle  number  emissions  did  notcorrespond  with  the  completion  of  combustion.In  the  temporary  incomplete  combustionconditions,  e.g.  during  intermittent  operation  ofthe  pellet  burner  or  in  the  firing  phase  of  themasonry  heaters,  the  number  emissionsincreased.  However,  it  was  more  common  in

heavily  incomplete  combustion  conditions  that,the  particle  number  emission  was  lower  ascompared  to normal combustion  (see Figures 3–5).  The  particle  number  emission  was  related  tothe  particle  size  in  that  incomplete  combustionproduced  lower  particle  number  emissions  butlarger  particle  sizes  than  did  more  completecombustion  (Paper  I; II; Figures  3  and  4).  Inaddition, the particle number  emission   typicallyincreased   from batch to batch despite the bettercombustion      conditions        with          a        highercombustion  temperature  at  the  end  of  batchcombustion (Paper I; Figures 3 and 5).

Generally,  the  particle  number  sizedistributions  were  dominated  by  submicronparticles,  and  were  temporarily  unimodals(Figure  6, Paper  I; Figure  8, Paper  II).  Theparticles were very small, and the maxima of thenumber  size  distributions  varied  typicallybetween  40  and 200  nm  (Papers  I–IV).  Incontinuous  combustion,  the  number  sizedistribution  was  fairly  constant.  From  woodpellet  combustion  in  the  pellet  burner,  forexample,  the  geometric  mean  diameter  (GMD)was  on  average  52  nm  when  measured  by  theFMPS,  and  it  varied  by  only  2–4  nm  (standarddeviation)  during  combustion  (Figure  4,  PaperIV).  In  batch  combustion,  the  particle  numberdistributions varied between different combustionconditions  during  the  different  combustionphases (Figures 3–5). The size distributions werewidest during the firing phase, when the sizes ofthe particles were also larger (Paper I;II).

In Paper  I,  the  largest  GMDs  wereobserved in the operation of the SS and the CMHappliances,  where  pyrolysis  was  very  fast,whereas  the  smallest  were  observed  in  theoperation  of  the  MMH,  where  pyrolysis  wasmore  controlled.  In  normal  combustion  in  theCMH  in  the  laboratory  experiments,  the  meanGMD was 56 nm (FMPS), whereas it was clearlyhigher  in  heavily  incomplete  combustion,  onaverage 118 nm (Figure 7, Paper II).

Page 36: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

38                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

Figure 3. The particle number size distributions, total number emission (Ntot) and particle geometricmean size (GMD) as a function of time from the normal combustion in the CMH (Paper II).

Page 37: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 39

Figure 4. The particle number size distributions, total number emission (Ntot) and particle geometricmean size (GMD) as a function of time from the smouldering combustion in the CMH (Paper II).

Page 38: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

40                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

Figure 5. The particle number size distributions, total number emission (Ntot) and particle geometricmean size (GMD) as a function of time from the MMH in the field experiments (Paper III).

Page 39: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 41

The  GMD  measured  by  the  FMPS  as  afunction of GMD measured by the ELPI is shownin  Figure  7.  Generally,  the  GMDs  were  slightlylarger when measured using the ELPI than whenusing the FMPS, indicating that particle effectivedensities  were  typically  above 1  g  cm­3.  In  bothdevices, the GMD of particles increased when thecombustion become more incomplete. The GMDfrom the FMPS varied from about 40 to 150 nm,whereas  the  GMD  from  the  ELPI  with  sinteredimpaction stages varied from about 50 up to 200nm.  The particle sizes were at the same level asin  some  other  comparable  studies  (e.g.  Hedberget al., 2002; Hueglin et al., 1997; Gaegauf et al.,2001;  Wierzbicka et  al., 2005).  Hueglin et  al.(1997)  and  Gaegauf et  al.  (2001)  measuredparticle sizes from 69 to 96 nm and at around 80nm,  respectively,  from  wood  pellet  combustionby  SMPS.  The  GMD  measured  by  the  SMPSfrom a 1 MW grate boiler with pellet combustionwas 79 nm (Wierzbicka et al., 2005).

0

50

100

150

200

0 50 100 150 200ELPI GMD (nm)

FMPS

 GM

D (n

m)

Paper IIIPaper II, NCPaper II, SCPaper IV

Figure 6. Particle geometric mean size (GMD)measured by the FMPS as a function of GMD

measured by the ELPI (sintered stages).

6.1.2 PM1 emissions and particle mass sizedistributions

The  PM1  emissions  from  wood  pelletcombustion  were  0.28  g  kg­1  (Paper  IV).  ThePM1 emission from the MMH was slightly higherthan from pellet appliances, mainly below 1 g kg­

1. From the CMH, PM1 emissions varied from 0.6

to  3.3  g  kg­1  (Figure  7;  Appendix  I,  Table  2;Papers II; III). The PM1 emissions from the SSwere  clearly  higher,  2.7–5.0  g  kg­1,  than  fromother appliances  (Papers  I; III).  The  PM1  fromsmouldering  combustion  in  the  CMH  was  thehighest, about 10 g kg­1 (Paper II).

In Paper  I,  the  PM1  emissions  duringdifferent  combustion  phases  and  batches  weremeasured.  The  contribution  of  the  firing  phasewas the highest from the CMH, 48% of the totalbatch  PM1  (0.65  g  kg­1)  in  the  first  batch,increasing to as much as 86% (1.90 g kg­1) in thelast  batch.  In  addition,  the  PM1  emission  in  thelast  batch  was  4.5  times  larger  than  in  the  firstbatch,  due  mainly  to  the  high  particle  emissionduring the firing phases (Paper I).  In the CMHscombustion is more intensive in a hot firebox, butit also accelerates the gasification of the fuel andincreases  emissions  from  the  batches  after  thefirst  batch.  At  the  highest  gasification  rates,  thesupply of air is not adequate, causing incompletecombustion and high PM1 emissions.

The  PM1  emissions  from  pelletcombustion  were  at  similar  levels  as  thosereported recently by Boman et al. (2005) from apellet  stove,  and  PM by  Johansson et  al.  (2004)from  pellet  burners  and  boilers.  The  PM1emissions  from  stoves  (e.g.  McDonald et  al.,2000: 2.3–7.2 g kg­1; Hays et al., 2003: 2.3–10.2g kg­1) and cookstoves  (Venkataraman and UmaMaheswara  Rao,  2001:  0.9–2.8  g  kg­1)  and  thePM from fireplaces (e.g. Purvis et al., 2000: 3.3–14.9 g kg­1) were slightly higher or the same levelas PM1 emission from the CMH and SS.

When comparing particle emission factors,the  sampling,  dilution  and  measurementtechniques need to be considered. Particle lossesand  particle  transformation  are  the  mostimportant  factors  that  affect  particle  emissionfactors  (see  Chapter  6.3).  The  measurementdevice  used  may  also  have  an  effect  on  fineparticle  emissions.  The  PM1  emissionsdetermined from DLPI results were 0–25% lowerthan  the  PM1  determined  from  filter  sampling,probably  due  to  higher  particle  losses  in  thecascade impactor as in filter sampling.

The mass size distribution was determinedin a few cases. Over 80% of PM10 particles werebelow 1 µm in aerodynamic size (Paper II). The

Page 40: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

42                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

0

4

8

12

Pellet burnersand boilers

Modern MasonryHeaters

ConventionalMasonry Heaters

Sauna Stoves

OG

C a

nd P

M1 e

mis

sion 

(g k

g­1) PM OGC1

200

400

600

OG

C a

nd P

M1 e

mis

sion 

(mg 

MJ

­1)

Figure 7. Typical OGC and fine particle mass (PM1) emission factors and range of factors fromFinnish combustion appliances. The figure shows data from Appendix I. Error bars indicate the range

of measured values during typical combustion process (not e.g. smouldering combustion).

mass  size  distributions  peaked  in  one  to  threemodes  (Paper  II).  In  the  submicron  range,  themass  size  distribution  was  uni­  or  bimodaldepending  on  combustion  conditions.  In  somecases,  there  was  also  an  indication  of  asupermicron  mode  at  around  1–5  µm  particlediameter.  This  coarse  particle  mode  is  typicallycomposed  of  low  volatile  ash  compounds  and  itis  partially  unburnt  char  (Wiinikka,  2005).  TheMMD measured by  the DLPI  was 164 nm fromwood  pellet  combustion  (Figure  5, Paper  IV).From the CMH, the MMD was 243 nm in normalcombustion  and  clearly  higher,  534  nm,  insmouldering combustion (Figure 8, Paper II).

In the study of Boman et al. (2005) with apellet stove, the MMD of the fine mode varied inthe range of 117–146 nm. The MMD was higherin three pellet burners (10–15 kW), varying from200–370  nm  measured  by  the  DLPI  frompelletized,  fresh  and  stored  sawdust  (Boman etal., 2004). These burners also had higher CO andPM  emissions  than  the  pellet  appliances  usuallydo.  Kleeman et  al.  (1999)  using  a  MOUDI­impactor  found  that  the  particle  mass  sizedistributions from wood smoke from a residential

fireplace  had  a  single  mode  that  peaks  atapproximately 100–200 nm particle diameter.

6.1.3 Particle composition

The  combustion  conditions  had  cleareffects  on  PM1  emissions  and  particle  numberand  mass  size  distributions.  In  addition,  thechemical composition of the fine particles duringRWC  was  closely  dependent  on  the  combustionconditions.  From  wood  pellet  combustion,  over90%  of  the  analyzed  PM1  consisted  of  fine  ashcompounds (Figure 8). From RWC, this fine ashis  composed  mainly  of  potassium  compounds(see  Chapter  3.3).  The  phosphate  containingcompounds were an important species in the fineparticles  emitted  from  agricultural  fuelcombustion, in contrast to wood fuels (Paper IV;Figure 8). From the pellet burner, the amounts ofincomplete  combustion  products,  EC  and  POM,were low, typically below 10% (Figure 8). Theseresults are well comparable with previous studiesof  wood  pellet  combustion  (Sippula et  al.,2007a,b), but  slightly  higher    EC   and   POM

Page 41: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 43

8 %1 %

45 %31 %

13 %2 %

POM

CO

K

SO

Cl

Other Ash

3

42

2

12 %

4 %2 %

33 %

40 %

7 % 2 % POM

EC

CO

K

SO

PO

Other Ash

3

24

4

2

3

                      Pellet burner      Pellet burner            wood pellets (PM1 0.26 g kg­1)                       rape seeds (PM1 0.30 g kg­1)

31 %

1 %

8 %

1 %

18 %

38 %

1 %2 % POM

EC

Cl

SO

Al

K

Zn

Other ash

24

55 %41 %

1 % 3 % POM

EC

SO

Al

K

Other ash

24

              MMH (field, PM1 0.8 g kg­1)                                     SS (field, PM1 4.3 g kg­1)

36 %

41 %

13 %

6 %1 % 3 % POM

EC

K

SO

Zn

Other Ash

42

69 %

28 %

1 % 2 % POM

EC

K

SO

Zn

Other Ash

42

              CMH NC (PM1 2.3 g kg­1)                     CMH SC (PM1 7.3 g kg­1)

Figure 8. Typical chemical compositions of PM1 samples (in mass­%) from RWC appliances (PapersIII–IV; normal (NC) and smouldering (SC) combustion calculated from the Frey et al., 2008).

Page 42: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

44                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

Figure 9.  POM, EC and fine ash emissions as a function of particle mass emission measured from dilutedflue gas. OC is normalized to POM by multiplying by a factor of 1.8. In this study (grey points) the particlemass is PM1 (normal and smouldering combustion values calculated from the Frey et al., 2008), and in the

studies by Schauer et al. (2002) and Fine et al. (2001) the particle mass is PM2.5.

0

4

8

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

POM

 em

issi

on (g

 kg­1

)Frey et al., 2008 Paper III Paper IV

McDonald et al., 2000 Fine et al., 2002 Schauer et al., 2001

0

1

2

3

0 2 4 6 8 10

EC

 em

issi

on (g

 kg­1

)

0.0

0.3

0.6

0.9

0 2 4 6 8 10Particle mass emission (g kg­1)

Fine

 ash

 em

issi

on (g

 kg­1

)

Page 43: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 45

contents have also been measured. Wierzbicka etal.  (2005)  found  that  the  OC  fraction  from  thecombustion of 1–5 MW pellet boilers at mediumload  varied  from  9  to  14%  and  the  EC  variedfrom 18 to 56% of PM1.

From  masonry  heaters,  the  fine  ashemissions  were  at  a  similar  level  as  from  pelletcombustion,  but  the  amount  of  incompletecombustion  products,  EC  and  POM,  wereconsiderably  higher,  since  20–30%  of  PM1  wasash.  In  addition,  EC  emission  was  higher  thanPOM  emission.  In  the  field  measurements,  thecomposition of PM1  from  the MMH  was almostthe  same  as  from  the  CMH  in  laboratorymeasurements (Figure 8). However, in separatelyperformed tests on the MMH we observed that asmuch as 50% of the PM1 sample was made up ofash compounds, and  that  it  contained only smallamounts  of  organics  (below  20%).  From  thesauna  stove,  the  analyzed  PM1  was  composedmainly of EC (55%) and POM (41%) (Figure 8).From slow heating combustion, the percentage ofPOM  even  increased:  it  was  69%  of  analyzedPM1  in  smouldering  combustion  in Paper  II(Figure 8).

In most previous studies, the fine particlesemitted  from  batch­fired  appliances  have  beencomposed  mainly  of  organic  material  and  EC,while the ash content has been relatively low. Forexample,  Fine et  al.  (2001)  reported  that  from40%  to  almost  100%  of  fine  particle  mass  wasorganic  material  in  the  case  of  a  conventionalfireplace.  The  fractions  of  EC  in  fine  particleshave been reported to vary from 1–31 % (Fine etal.,  2001;  Schauer et  al.,  2001).  In  a  studyquantifying 350 chemical compounds from woodcombustion, the fraction of POM (OC normalizedby  multiplying  by  1.2  to  compensate  for  oxyspecies in POM) was more than 80%, the fractionof  EC  was  below  20%  and  the  fraction  ofanalyzed  ash  compounds  were  below  4%  fromthe  combustion  of  soft  and  hard  woods  infireplaces  and  wood  stoves  (McDonald et  al.,2000).  Schauer et  al.  (2001)  found  that  the  ashfraction was about 1–5% from the combustion ofpine,  oak  and  eucalyptus  in  a  fireplace.  Thus,  itseems that the proportion of soot and particularlyfine  ash  in  PM1  is  clearly  higher  from  masonryheaters  and  sauna  stoves  than  from  other  batch

combustion  appliances.  In  addition,  the  highfraction  of  POM  seems  to  represent  heavilyincomplete combustion.

Figure  9  summarizes  the  particlecomposition results from Papers II–IV and fromsome  recent  studies.  In  these Papers,  the  POM(R2  =  0.97)  and  EC  (R2 =  0.93)  correlated  verywell  with  analyzed  PM1  emissions.  When  thePM1 emission factor is higher than 0.4 g kg­1, thecombustion  conditions  become  more  incompleteand  both  EC  and  POM  increased  remarkably,POM  emission  more  strongly  (slope  0.71)  thanEC  (slope  0.34).  Other  studies  also  report  quitegood  correlation  between  particle  mass  andPOM.  The  POM  emission  in  the  studies  ofMcDonald et  al.  (2000)  and  Fine et  al.  (2001)increased  faster  than  in  the  studies  reported  inPapers II–IV, when a similar OC normalization(1.8) was used (Figure 9). The composition of theorganic  fraction  of  PM  emissions  may  bedifferent  in  the  birch  wood  combustion  in  thisstudy  and  the  pine,  oak,  eucalyptus,  poplar,hickory etc. combustion, and probably a differentOC normalization should to be used. On the otherhand,  the  EC  emission  did  not  at  all  correlatewith  the  PM in  the  studies  of  Fine et  al.  (2001)and  Schauer et  al.  (2002)  (Figure  9).  However,the  EC  (i.e.  soot)  is  a  tracer  of  incompletecombustion  (see  Chapter  3.2)  and  the  ECemission  should  correspond  with  theincompleteness  of  combustion.  One  of  the  mostimportant factor that affect the emission factor ofEC  is  the  method  and  protocol  used  in  the  ECanalysis.  In  particular,  the  methods  used  forpyrolysis  corrections  have  significant  effects  onboth  OC  and  EC  results,  which  probably  alsoexplains  the  differences  in  the  POM  resultsbetween this study and other studies.

The  fine  ash  emission  had  no  significantcorrelation  with  the  PM  emissions  (Figure  9).The      vaporization of  alkali metals  is  dependenton the chemical composition of the wood and thereactions of inorganic species (e.g. Sippula et al.,2007a). The combustion temperature also has animportant  influence  on  vaporization,  so  thatgreater  amounts  of  ash  particles  are  released  athigh  than at  low  temperatures  (Davidsson et al.,2002; Knudsen et al., 2004). Since  the chemicalcomposition  of  ash  does  not  vary  between

Page 44: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

46                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

different  pure  wood  fuels,  it  seems  that  thecombustion temperature is the primary factor thataffects  the  fine  ash  emission  in  RWC.  Forexample,  in Paper  II,  the  low  combustiontemperature in smouldering combustion producedlow  ash  emissions,  whereas  high  temperaturesproduced high emissions (Figure 9).  In addition,the amount of ash species increased from batch tobatch  due  to  the  increase  in  the  combustiontemperature  in  subsequent  batches  (Paper  I).  InPaper  I,  similar  PM1  emissions  from  the  CMHand  the  MMH  can  be  explained  by  the  higherrelease  of  alkali  metal  particles  with  the  highercombustion  temperature  from  combustion  in  theMMH (Paper I).

Sippula et al. (2007) found that the higherash  content  of  the  bark  fuels  in  the  pellet  stoveincreased  both  the  fly  ash  emission  and  theproducts  of  incomplete  combustion.  In  addition,it  was  observed  in Paper  IV  that  although  thefuel  ash  content  of  the  other  agricultural  fuelswere considerably higher than that of wood fuel,the PM1  emission  from rape seeds,  for example,was  surprisingly  at  the  same  level  as  that  fromwood pellets.  Thus, the chemical composition ofthe fuel ash had a strong effect on the release ofalkali metals.  It  seems  that  one  important  factorexplaining the observed differences in the releaseof ash­forming elements is the formation of alkalimetal  chlorides,  which  is  seen  in  the  clearcorrelation between the release of chlorine and ofash in the fine particles (Paper IV).

6.1.4 Particle morphology

The  study  of  particle  morphology  isparticularly  important  because  it  providesknowledge of the composition, size and shape ofthe  primary  particles.  However,  information  onfine particle morphology in RWC is very scarce.

In this  study, detailed  information on  fineparticle morphology during different combustionconditions from CMH was obtained. In SEM andTEM  analyses,  both  large  agglomerates  (PaperII: Fig. 9d–f, Fig.11) and separate spherical  andirregularly  shaped  particles  were  observed(Paper  II:  Fig.  9d–f,  Fig.  13,  Fig.  14).  Largeagglomerates  were  found  to  contain  mainlycarbon  and  are  considered  to  be  primarily  soot

particles. The  fine ash particles  seemed  to occurmainly as separate spherical or irregularly shapedparticles  but  not  as  agglomerates.  The  separateultrafine particles were composed mainly of K, Sand Zn, but also  in a lesser extent of C, Ca, Fe,Mg, Cl, P and Na (Paper II: Fig. 12). The largerspherical  and  irregularly  shaped  particles  werecomposed  of  same  alkali  metal  compounds,  butthey  were  probably  covered  with  heavy  organiccompounds.  Separate  particles  were  to  someextent  connected  with  agglomerates.  From  thesmouldering combustion conditions, the  surfacesof particles were covered by organic species andthe  particles  had  a  more  closed  (sintered­like)structure  than  the  particles  from  normalcombustion (Paper II: Fig. 14). In the separatelyperformed  experiments  (unpublished  results),  itwas  observed  that  the  fine  particles  included  anumber  of  irregular,  e.g.  tube­shaped  particles,which  are  doubtless  residual  fly  ash  particlesejected from the grate and carried to the flue gas.

Agglomerate­like  particles  have  beencommon  also  in  other  wood combustion  studies(e.g. Colbeck et al., 1997; Kocbach et al., 2005;Sippula et  al.,  2007a).  Kochbach et  al.  (2005)found  that  while  agglomerates  from  vehicleexhaust  were  characterised  by  high  levels  of  Siand  Ca,  agglomerates  from  wood  smoke  werecharacterised  by  high  levels  of  K.  Kochbach etal.  (2005)  have  also  reported  that  the  size  ofprimary particles of agglomerates was similar  tothat  found  in  this  study,  37–39  nm  (±11  nm).Sippula et al.  (2007a) observed  that most of  theparticles  from  a  pellet  stove  observed  by  SEMwere  single  almost  spherical  primary  (ash)particles,  and  only  a  few  larger  agglomerateparticles  were  present  in  the  samples.  Kochbachet  al.  (2005) also  found  large  spherical  particlesthat  were  carbon  dominated  from  the  low­temperature combustion of wood.

In summary, it seems that the morphologyof RWC particles is complex and varies betweendifferent  combustion  conditions.    According  toparallel particle size distribution and morphologymeasurements  in  this  study,  it  seems  that  thereleased ash particles may play an important rolein the formation of the particle number emissionin RWC. In the present experiments, the ultrafinemode in the particle number distributions seemed

Page 45: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 47

to  be  determined  mainly  by  the  amount  ofreleased  ash  forming  material  in  combustion.Respectively,  the  shifting  of  particle  size  duringdifferent  combustion  conditions  seemed  to  bedetermined by  the amount of  condensed organicvapour in the flue gas (Paper II).

6.1.5 Gas emission

The  CO  and  OGC  are  gas  emissions  thatindicate  the  incompleteness  of  secondarycombustion. The  CO  and  OGC emission  factorsare shown  in Figures 7 and 10. These emissionswere  low  in  continuous  combustion.  In PaperIV,  the  CO  emission  from  the  combustion  ofwood  pellets  in  a  pellet  burner  was  0.55  g  kg­1.The  CO  emissions  from  agricultural  fuels  wasabout 3­fold those from wood pellet. Wood chipscombustion  seemed  to  increase  slightly  the  COemissions when compared with pellet combustion(Appendix I, Table 3).

The  CO  emission  from  pellet  combustionwas slightly lower than in the study of Johanssonet  al.  (2004)  (0.6–2.3 g  kg­1;  Appendix  I, Table3).  The    OGC    emissions    are    typically    lowfrom continuous combustion, primarily below 0.1g kg­1 (Launhardt and Thoma, 2000; Johansson etal., 2004; Appendix I, Table 3).

The CO and OGC emissions were clearlyhigher  from  batch  combustion  appliances  thanfrom  continuous  combustion  appliances.  Thelowest  gas  emissions  were  measured  fromMMHs, in which the CO emission was 14 g kg­1

and OGC 0.4 gC kg­1 in the laboratory (Paper I),and CO 28 g kg­1 in the field experiments (PaperIII). The CO from  the CMHs varied  from 22  to68 g kg­1 and OGC 1.9  to 6 gC kg­1  (Papers  I–III).  The  CO  emission  values  from  the  CMH(Papers  I–III)  are  well  comparable  with  thosereported  in  other  studies  of  stoves  or  fireplaces(e.g.  EPA,  1996a;  Venkataraman  and  UmaMaheswara  Rao,  2001;  Koyuncu  and  Pinar,2007), whereas OGC emissions were  lower  thanin  other  studies  (e.g.  Bhattacharya et  al.,  2002;Hübner et al., 2005).  Conversely,  CO and  OGCemissions  from  the  SS  are  mainly  higher  thanfrom other appliances. In Paper I,  the OGC andCO  emissions  from  the  SS  were  about  24­foldand  4­fold  higher,  respectively,  than  from  the

MMH. Extremely high emissions, CO up to 300g  kg­1  and  OGC  up  to  90  gC  kg­1,  have  beenmeasured  from  old­type  wood  log  boilers  withbig  batch  size  (Johansson et  al.,  2004).  Thesmouldering  combustion  from  the  CMHproduced emission factors of 150 g kg­1 CO and30 gC kg­1 OGC (Paper II).

From  the  masonry  heaters  and  saunastoves,  large  variations  (10  to  100  times)  in  gasemission factors were observed from the firing toburn out phases (Paper I). The highest emissionswere caused by  the high gasification rate duringthe firing phase that  led to an insufficient supplyof air and insufficient mixing of air and fuel. TheOGC and CO emissions were concentrated on thefiring  phase  and  decreased  rapidly  with  timeafterwards  (Figure  3, Paper  I).  However,  COemissions  were  also  high  during  the  burn  outphases.  This  is  due  to  the  low  diffusion  rate  ofoxygen  to  the  char  and  the  cooling  of  thecombustion  chamber  due  to  the  high  volume  ofexcess  air  in  the  combustion  chamber.  In  mostcases  the  combustion  temperature  decreasedbelow  800  °C,  which  is  the  level  needed  forcomplete  oxidation  of  CO  (Nussbaumer,  2003;Van Loo and Koppejan, 2008).

Regarding  other  gas  emissions,  the  NOxlevels were relatively low and were similar in allmeasurements  for  wood  fuels  (Paper  III;  IV),since  at  low  temperatures  NOx  emissions  ariseonly  from fuel nitrogen. However, the emissionsof  NOx,  SO2  and  HCl  from  combustion  ofagricultural fuels were from 4­ to 148­fold thoseof  wood  fuel  due  to  the  higher  N,  S  and  Clcontent in agricultural fuels (Paper IV).

6.2 Effect of operational practices onemissions

6.2.1 Effect  of  operation  in  continuouscombustion

Emissions  in  continuous  combustionappliances  were  typically  low,  but  increased  atpartial  or  low  loads,  in  the  on­off  use  andcleaning periods. In these cases the emissions ofPM1,  EC  and  POM  increased,  indicating  moreincomplete combustion conditions at partial thanat  nominal  load  (Paper  IV).  Typically,  particle

Page 46: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

48                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

0

60

120

180

Pellet burners andboilers

Modern MasonryHeaters

ConventionalMasonry Heaters

Sauna Stoves

CO

 em

issio

n (g

 kg­1

)

300

600

900

CO

 em

issio

n (m

g M

J­1

)

Figure 10. Typical CO emission factors and range of factors from Finnish combustion appliances.The figure shows data from Appendix I. Error bars indicate the range of measured values during

typical combustion process (not e.g. smouldering combustion).

size increased during such operation (Paper IV).The  effects  of  burner  type  (e.g.  top­,  under­  orside­feed)  on  emissions  have  not  been  widelystudied, but studies of  top­feed pellet  stoves andunder­feed  pellet  burners  have  not  foundsignificant  differences  in  particle  number  sizedistributions  (Tissari et al., 2004a). Operation atpartial  load,  when  the  combustion  process  iscontinuous,  has  been  observed  to  increaseemissions  only  slightly  (Johansson et  al.,  2004).A  very  low  load  leads  to  the  intermittentoperation  of  burners,  which  has  a  significanteffect on particle and gaseous emissions, and it isdependent  on  operation  type  of  burner(Johansson et al., 2004). With electrical  ignitionin  the  burner,  the  emissions  were  only  slightlyhigher  in  intermitent  than  continuous  operation,because  the  ignition  and  burn­out  phases  takevery little time (Paper IV). With the pilot flame,Johansson et  al.  (2004)  found  3­,  27­,  63­foldemissions of PM, CO and OGC, respectively.

Some of the pellet burners have a cleaningoperation  as  a  result  of  which  particle  and  COemissions  increase  sharply  for  a  short  period(Tissari et  al.,  2004a).  Typically,  the  cleaningperiods increase the combustion air flow through

the  grate  and  decrease  the  fuel  supplymomentarily what cleans the grate holes (Sippulaet  al.,  2007a).  For  particle  emissions,  thecontribution of the cleaning periods to the wholeemission was less than 10%, but they contributedup to 30% of the whole CO emissions.

6.2.2 Effect  of  fuel  loading  on  emissions  inbatch combustion

Fuel  loading  had  a  clear  influence  onemissions.  The  use  of  too  large  fuel  batches  orsmall logs (i.e. total area of wood logs) in relationto  the  size  of  the  heater  air  intakes  causesincomplete  combustion.  With  a  large  batch  size(dry  fuel),  the  gasification  rate  of  the  fuelincreases  and  the  supply  of  air  becomesinsufficient  (Paper  I).  When  the  batch  size  wasdoubled, all emissions  from the CMH increased,except  the  particle  number  emission:  the  OGCemissions  were  4.0,  CO  2.2  and  PM1  1.9  timeshigher (Paper I). For up­draught combustion in awood  boiler,  Johansson et  al.  (2004)  observedthat  PM  emission  from  a  large  fuel  load  was  4times higher  than  from a small one.  In addition,the  use  of heat  storage  decreased  CO  and  OGC

Page 47: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 49

emissions,  15–28%  and  40–50  %,  respectively,compared  with  emissions  from  a  small  batch(Johansson et  al.,  2004).  The  log  size  affectedemissions  more  than  did  batch  size  (Paper  I).Using  equal  batch  sizes,  emissions  from  smalllogs were 8.7­fold for OGC, 2.3­fold for CO, 1.4­fold  for  particle  number  and  4.8­fold  for  PM1higher  than  from big  logs. Wet  fuel  restricts  thecombustion rate of wood. Johansson et al. (2004)investigated  the emissions  from a ceramic woodboiler  with  a  flue  gas  fan  and  a  down­draughtboiler  using  dry  and  wet  wood  log  fuels.  Theyfound  that wood  fuel  with a moisture content of26% givea the lowest emissions, whereas the dryfuel  produced  slightly  higher  (1–3­fold)  and  thewet (38%) fuel clearly higher, 7­fold CO, 21­foldOGC  and  4­fold  PM,  emissions.  However,  it  isimportant  to  note  that  this  kind  of  findings  arevery  appliance  (case  to  case)  related  and  therelation between batch size­log size­fuel moistureon the emissions is very complex and may differbetween different appliances.

6.2.3 Emissions in smouldering combustion

Smouldering combustion is responsible fora  significant  number  of  air  quality  problemslocally  and  temporarily  (Glasius et  al.,  2006).The  most  problematic  appliances  are  multi­fuelboilers, which can burn wood, oil, or pellets, butthey commonly use wood log combustion with anup­draught technique. In addition, light stoves aretypically  used  with  low  combustion  rates  byrestricting the air intakes which lead smoulderingcombustion.  Furthermore,  too  high  a  burn  rate(large  fuel  batches)  causes  an  insufficient  airsupply  and  smouldering­like  combustion  frommasonry  heaters  and  sauna  stoves.  In Paper  II,emissions  in  conditions  of  heavily  incompletecombustion  were  studied  in  more  detail.  Insmouldering  combustion  (SC),  where  small  logsand  big  batches  were  used,  and  the  air  intakeswere  closed,  the  combustion  temperature  waslower  than  in normal  combustion  (NC),  and  theair  supply  was  clearly  inadequate  Incompletesecondary  combustion  of  the  gaseous  organiccompounds in SC increased the emission of OGCto  14­fold  and  POM  to  7­fold  that  in  NC.  Thesmallest  effects  were  observed  in  CO  (3.5­fold)

and  EC  emissions  (2­fold),  which  are  alsoproducts of  incomplete combustion. Because  thefine  particles  were  composed  mainly  of  organicmatter in SC, the PM1 emission was also clearlyhigher,  about  6­fold  that  in  NC.  In  contrast,  theash and particle number emissions were less thanhalf those in NC. Furthermore, the particle size inSC  was  about  2­fold  that  in  NC.  In  SC,  theparticles  were  covered  by  organic  compounds,due to the condensation of organic matter on thesurfaces of the agglomerates (see 6.1.4).

 Johansson et al. (2004) found even higheremissions  from  the  combustion  of  an  old­typewood  log  boiler  with  a  big  batch  size.  The  COemissions were 300 g kg­1, OGC 90 gC kg­1 andPM  42  g  kg­1,  whereas  in Paper  II  they  were150, 30 and about 10 g kg­1, respectively. Jordanand  Seen  (2005)  observed  nearly  the  same  PMemission  factor  as  Johansson et  al.  (2004),  asmuch as 40 g kg­1 from a wood stove with hooddilution and restricted combustion air (a low burnrate), which is about 4­fold the PM1 emissions insmouldering  combustion  in  the  CMH  in PaperII.

6.3 Effect of  sampling and dilution  on fineparticle emissions

The  measurement methods  used  can havea strong influence on particle emissions. Organicemissions  and  particle  losses  are  particularlydependent on  the sampling and dilution method.However,  there  are  no  general  standards  ormethods  to  measure  fine  particles  from  smallcombustion devices. In this section, the effects ofsampling and dilution on emissions are discussedbriefly, concentrating on particle mass.

6.3.1 Particle losses

Particle losses are important when the totalPM  including  coarse  (~1–10  µm)  and  supercoarse  (>10  µm)  particles  are  measured.    PMlosses are caused by settling, impaction and otherinertial effects and are dependent on particle size(Baron and Willeke, 2001). There were losses ofover  50%  for  5  µm  particles,  and no  significantlosses  for  particles  below  1  µm,  in  two  ejectordiluters in series (Wierzbicka et al., 2005). There

Page 48: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

50                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

are  also  significant  losses  of  coarse  particles  inhood dilution systems, which are widely used  inRWC  measurements  (e.g.  EPA  Method  5G,  NS3058­2  Method  in  Norway),  but  not  enoughattention  is  paid  to  them.  In  such  systems,  theparticle deposition is dependent on the flow ratesof the system, and varies between systems.

Several  studies  show  that  the  PM  fromRWC is  totally dominated by  fine particles  (e.g.Boman et al., 2005). However, coarse and supercoarse particle emissions may play an  importantrole  in  PM. The  occurrence  of  these  particles  issporadic  and  is  dependent  on  the  combustionappliance. Super coarse particles are residual  flyash particles  that are ejected  from  the grate. Forexample,  the  operation  of  a  sauna  stove  with  ahigh combustion rate and short gas ducts leads toenrichment of coarse and super coarse particles inthe  flue  gas.  In  masonry  heaters  with  very  longducts (cf. Figure 1a and c in Paper I), the coarseparticle losses in the heaters are high and they notoccur  in  the  flue  gas.  When  the  air  supplythrough  the  grate  is  low  in  modern  masonryheaters  or  in  the  slow  heating  stoves,  forexample,  the  emissions  of  coarse  particles  arealso low.

The  measurement  of  coarse  and  supercoarse particles is very difficult particularly frombatch  combustion.  Isokineticity  is  not  easy  toperform  due  to  variable  processes  and  low  flowrates  in  the  chimney.  Several  parallelmeasurements of diluted PM1 and total PM fromhot  flue  gas  were  performed  from  masonryheaters  and  sauna  stoves  (Appendix  I,  Table 2).According to these unpublished experiments, PMwas not mostly dominated by PM1  and typicallyonly 30–40% of PM was below 1 µm. However,in  some cases  PM1  from  diluted  gas  was  higherthan  PM  in hot gas.  The high  fraction  of  coarseparticles  is  probably  due  to  the  high  flow  ratesused  in  Finnish  appliances,  which  leads  to  theoccurrence  of  super  coarse  particles  in  thechimney.

6.3.2 Transformation of particles

The  transformation  (nucleation,condensation,  coagulation,  evaporation)  ofparticles  is also  important  in combustion aerosol

sampling  (e.g. Turrek, 2004). The methods usedhave  a  strong  influence  on  the  emission  results,particularly  on  organic  emissions  (Amann  andSiegla, 1982; Hildemann et al., 1989; Lipsky andRobinson,  2006).  Emissions  of  EC  do  not  seemto  vary  with  dilution  (Lipsky  and  Robinson,2006).

Dilution is critical for particle sizes in thenucleation  mode  (Turrek,  2004).  When  dilutionair  is not heated  (i.e.  is  at  ambient  temperature)and  is  not  dried,  nucleation  of  volatile  organiccompounds as well as sulphates and nitrates tendto  form  new  nanoparticles  (Shi  and  Harrison,1999).  Nucleation  in  the  dilution  has  beenobserved from diesel engines, for example, whensulphur  rich  fuel  was  used  (Vaaraslahti et  al.,2004).

In  this  study  it  was  found  that  organicvapours  do  not  easily  form  particles  bynucleation despite their high concentration in fluegas  (Paper  II),  but  rather  condensate  on  thesurfaces of the existing particles. It also has beenreported  that  hydrocarbons  condense  ontoexisting  particles  rather  than  form  new  particlesby nucleation (Pyykönen et al., 2007). The largesurface  area  of  existing  particles  (both  soot  andash)  during  the  gas­to­particle  conversion  oforganic  vapours  can  also  affect  this  result.However,  in Paper  III  it  was  observed  inwintertime  field  experiments  that  the  nucleationof  organic  compounds  does  not  occur  in  thefirebox  but  rather  in  the  chimney  when,  inaddition  to  smouldering  combustion,  theprevailing physical conditions in the flue gas arealso  favourable.  The  occurrence  of  very  smallparticle mode (6–30 nm) from RWC is very rareand has not been reported earlier.

In  incomplete  combustion  conditions  thegas­to­particle conversion of organic vapours hasa  significant  effect  on  PM  emission.  At  lowlevels  of  dilution,  semivolatile  species  occurmainly  in  the  particle  phase,  but  increasingdilution reduces the concentration of semivolatilespecies, shifting this material to the gas phase inorder  to maintain phase equilibrium (Lipsky andRobinson,  2006).  For  example,  a  fieldcomparison of a stack sampler with EPA Method5 has shown  that  this  sampler collects about  tentimes  as  much  organic  material  as  the  hot  filter

Page 49: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 51

portion of  the Method 5 train  (Hildemann et al.,1989). Purvis et al. (2000) found in fireplace teststhat the temperature at which the particle samplewas  collected  had  a  major  impact  on  thePM2.5/PM fraction when the DR was moved from4.3 to 11.0 in the hood dilution method. Hedberget  al.  (2002)  observed  that  the  size distributionswere  not  severely  affected by  the  dilution  ratiosfrom  wood  stove  measurement.  Boman et  al.(2005) found that the sampling conditions did notinfluence  either  the  emission  of  PM  or  theparticle  size  distribution,  but  increasedconcentrations of OGC and PAH  were  observedwhen the dilution ratio was increased from 3 to 7.However,  in  that  study  the  dilution  ratios  werelow and the appliance studied was a pellet stove,which  has  low  organic  emissions,  so  it  did  notaffect  the  PM.  Lipsky  and  Robinson  (2006)concluded  in  a  study  measuring  the  partitioningof  semivolatile  materials  under  atmosphericconditions  that  partitioning  theory  indicates  thatdilution  samplers  need  to  be  operated  in  such  away  that  the  diluted  exhaust  achievesatmospheric  levels  of  dilution.  They  found  thattoo  little  dilution  can  overestimate  fine  particlemass  emissions,  and  too  much  dilution  (withclean  air)  can  underestimate  them  (Lipsky  andRobinson,  2006).  In  order  to  get  maximum  PM,the  DR  should  to  be  about  ten  (Amann  andSiegla, 1982).

In  summary,  the  measurement  methodsused have a strong influence on the PM emissionresults, particularly on organic emissions and thefraction of coarse particles. The results  from  therelation  of  PM1/PM  are  inconsistent  due  to  thecoarse  particle  and  POM  losses  in  the  samplingand dilution.

6.4 Cases  of  high  and  low  fine  particleemissions  from  RWC  appliances  andsuggestions  for  emission  reductionmeasures

Combustion  conditions  vary  significantlybetween  different  combustion  appliances  andoperational  practices,  and  this  affects  emissionfactors  remarkably.  The  factors  that  influencefine  particle  and  gas  emissions  from  RWC  aresummarized  in  Figure  11.  Even  a  small

difference in the combustion conditions increasesthe  emissions,  their  properties  and  their  effectsremarkably.  It  should  also  be  noticed  that  themeasured  emission  (physical  and  chemicalcomposition  of  particles  and  gases)  does  notexactly  correlate  with  the  emission  into  theatmosphere.  This  also  leads  to  the  assumptionthat  the estimated effects of RWC emissions arenot  the  same  as  the  real  effects  (Figure  11).Because  of  the  large  number  of  uncontrolledfactors  that  affect  combustion  conditions,  theimportance  of  single  factors  is  not  easy  todetermine  exactly.  According  to  this  study,  themost  important  factors  that  affect high  fineparticle emissions are:

1) The  overall  lack  of  available  oxygen(smouldering  combustion).  The  mostproblematic  appliances  are  multi­fuel  boilers(without  heat  storage  tanks),  which  can  burnwood,  oil,  or  pellets,  but  are  primarily  used  inwood  log  combustion  with  an  up­draughttechnique.  In  addition,  because  of  the  lowertemporary need for heat, light stoves are typicallyused with low combustion rates by restricting airintakes, which leads to smouldering combustion.In the worst cases, PM emission factors up to 40g  kg­1  are  found.  For  good  combustion  quality,short charging intervals with small batch size arerequired.  The  use  of  a  heat  storage  tank  isadvisable for the combustion of wood log boilers.

2) The  conventional  combustiontechnique  in sauna stoves. Emissions  from SSsare  high  (PM1  up  to  5  g  kg­1)  because  of  theconventional combustion  technique. SSs have  tooperate  with  the  high  combustion  rate  becausethe need for heat in the sauna room is temporarilyhigh.  The  firebox  is  small  and  secondarycombustion  is  not  possible,  so  the  efficiency  islow.  In addition, with high gasification rates  thesupply  of  air  is  clearly  insufficient,  causingdistinctly  incomplete  combustion  in  SSoperation.  To  reduce  emissions  of  sauna  stoves,the  combustion  technique must  be  developed  orsecondary removal techniques are needed.

3) Too  fast  pyrolysis  and  combustionrate in masonry heaters and sauna stoves. Thesize  of  the  air  intakes  in  Finnish  heaters  isrestricted  and  the  operating  temperature  in  thefirebox  is  high.    Thus,  the  occurrence  of  a  too

Page 50: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

52                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

high gasification rate is typical due to excessivelylarge fuel batches in relation to the size of the airintakes,  which  leads  to  an  insufficient  supply  ofair. Thus, controlling the gasification rate via theprimary air supply, log and batch size, as well asfuel  moisture  content,  is  important  for  thereduction  of  emissions  in  conventional  Finnishappliances.

4) Too  low  combustion  temperature.  Inopen  fireplaces,  cookstoves  or  camp­fires, muchheat  is  often  lost  to  the  surroundings  due  to  thelack of radiative heat, which restricts combustiontemperature and  increases  emissions. The use ofwet  fuel  also  decreases  the  combustiontemperature. In the ceramic wood log boiler, wetfuel increased emissions 3–4­fold, from 0.4–0.6 gkg­1 to 1.7 g kg­1 (Johansson et al., 2004).

5) Operation  of  burners  at  low  load.Presently, most pellet and stoker burner systemsdo not have heat  storage  tanks, and the boiler  isset at thermostat control, which results in a cyclicintermittent operation of the burner. Combustionat  low  loads  increases  remarkably  the  emissionsfrom  burners  that  operate  with  a  pilot  flame(Johansson et al., 2004: PM1  increased  from 0.4up  to  1.2  g  kg­1).  In addition, pellet  combustionunits  with  pilot  flames  should  be  of  a  size  that

allows  continuous  combustion.  If  this  is  notpossible,  these  appliances  should  also  beequipped with heat storage tanks.

Emissions in RWC are low:

1) In the continuous combustion of pelletor  stoker­burners, because  the burners have heatcontrol  devices  and  are  equipped  with  effectiveheat  exhangers  and  advanced  control  devicessuch as an O2­sensor. The fuel is fed according tothe  heat  demand  and  combusted  at  a  hightemperature  in  a  small  grate  with  staged  air.Emissions are typically low (PM1 typically below0.3  g  kg­1)  and  fine  particles  are  composedmainly of released alkali metal compounds. Thus,the  release  of  alkali  metals,  which  is  dependenton fuel ash content, the chemical composition ofash,  and  the  combustion  temperature,  are  theprimary  factors  that  determine  fine  particleemissions from continuous combustion.

2) Emissions of modern wood log boilersare also  low, PM typically 0.4–0.6 g kg­1 due  tothe fact that they are equipped with a hot fireboxinsulated  with  ceramics,  advanced  controldevices  such  as  an  O2­sensor,  air  control  andstaged air combustion.

Fuel

Operationalpractices

Operationalconditions

CombustionappliancePhysical properties

(size, moisture, heating value,wood species)Chemical properties(ash composition)

weather conditions, ventilation, draught conditions

appliance type, operational principle,combustion technique,regulation devices,batch/continuous burning

batch size, log size, kindlingpractice

Combustionconditions

Emissions

Measurement

Dilution tooutdoor air

Drifting

Transformation

Exposure

DoseHealtheffects

Measuredemission

Considered effects

Real effects

Climateeffects

Combustion temperature, amount of air supply, air and combustion gas mixing

Measurement techniques and devicesParticle properties:Mass, number, size,morphology, chemicalcomposition

Particle properties

Complete combustion:NO ,SO  , ash particlesx       2

Incomplete combustion:CO, OGC, soot, organic particles

Samplinganddilution

Evaluation

(Papers I­IV)

(Papers I­IV)( )Papers I­IV

( )Paper I, II

( )Paper I, III(Paper IV)

( )Paper III

Figure 11. The general picture of the factors influencing fine particle emissions from RWC.

Page 51: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

6. RESULTS AND DISCUSSION

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 53

3)  In  masonry  heaters,  hot  and  closedfirebox  surfaces  reflect  heat  back  into  the  flameand  create  the  gas  turbulence  needed  forcomplete combustion.  In addition,  the  secondarycombustion  chamber  enhances  secondarycombustion,  and  the  large  mass  gives  goodefficiency.  With  an  optimal  operationaltechnique, emissions from CMHs are low. In thisstudy, in  the best cases PM1 was as low as 0.6 gkg­1,  whereas  typical  values  are  about  1.6–1.8  gkg­1, and the highest values are 3.3 g kg­1 with thesame appliance.

4) In  MODERN  masonry  heaters,  incontrast  to  CMHs,  the  primary  airflow  iscontrolled  and  secondary  air  is  distributed  toenvelop  the  fuel  batch  e.g.    from  the  small  airinlet holes  in  the grate. These holes enhance  themixing  of  air  and  combustion  gases.  Preheating

of  secondary  air  at  the  expense  of  the  gratetemperature  probably  decreases  the  release  ofalkali metal compounds, but enhances secondarycombustion. The decreased air supply through thegrate  also  decreases  the  flow  through  the  grateand  the  ejection  of  coarse  particles  to  the  fluegas.  The  operation  at  lower  overall  excess  airincreases  the  combustion  temperature. Thus,  theemissions  caused  by  incomplete  combustionduring pyrolysis are reduced very efficiently andthe composition of the emissions is similar to thatof emissions from continuous combustion from apellet burner, for example. In the best cases, PM1emissions  were  0.3–0.5  g  kg­1,  whereas  typicalvalues  are  about  0.7–0.8  g  kg­1.  The  effect  ofpoor  operational  practice  on  emissions  in MMHhas not been studied.

Page 52: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 53: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 55

7 Summary and conclusionsResidential  wood  combustion  (RWC)

appliances have a high probability of incompletecombustion,  producing  fine  particles  andhazardous  organic  compounds.  Generally,  thereare  several  studies  on  emissions  from  RWCappliances.  However,  knowledge  on  theemissions from wood­fired appliances, especiallyconcerning  the  fine  particle  emissions  and  theircomposition  during  different  combustionconditions  has  been  limited.  Moreover,  therehave  not  been  any  scientific  studies  fromemissions  in  the  Finnish  context.  Thisinformation  is  needed  to  develop  low  emissioncombustion  techniques,  to  better  understand  therelation  between  certain  health,  and  climateeffects  and,  to  put  right  efforts  and measures  toreduce these problems.

In this thesis, the fine particle number andmass  emissions,  particle  composition  andmorphology, and gas emissions were investigatedfrom  a  modern  (MMH)  and  conventionalmasonry  heaters  (CMH),  sauna  stoves  (SS)  andpellet  burner.  The  investigation  was  based  onlaboratory  and  field  experiments  applyingextensive and unique particle sampling methods.In addition, we obtained a general picture of thesignificance  of  different  factors  influencing  thefine particle emissions from RWC appliances.

The  appliance  type,  fuel  and  operationalpractices  were  found  to  affect  clearly  thecombustion  conditions  and  thus,  quantity  andquality properties of fine particle emissions fromRWC.  The  measurement  methods  used  have  astrong  influence  on  the  emission  results,particularly  on  the  organic  emission  and  thefraction  of  coarse  particles.  In  order  to  getreliable  results,  the  dilution  samplers  should  beapplied  with  small  particle  losses  and  a  lowdilution ratio. Total PM is not a reliable factor forcomparison  of  particle  emissions  from  RWCprimarily due to the occurrence of these particlesin  the  flue gas  is  sporadic and dependent on thecombustion appliance, isokineticity is not easy toperform, and there are significant losses of coarseparticles  in  the  measurement  in  all  kind  ofmeasurement methods.

The  fine  particles  from  wood  combustionare  formed  primarily  from  the  pyrolysis  gases(EC, i.e. soot and particle organic matter (POM))and  the  vaporized  alkali  metal  compounds  (i.e.fine ash). In good combustion conditions (e.g.  inpellet  combustion),  the  PM1  emission  factorswere  low,  typically  below  0.3  g  kg­1,  and  over90%  of  the  PM1  consisted  of  alkali  metalcompounds.  This  is  because  the  burners  havewell controlled combustion process and  they areequipped  with  effective  heat  exhangers  andadvanced  combustion  parameter  devices  such  asan  O2­sensor.  The  fuel  is  fed  according  to  theheat  demand  and  combusted  at  a  hightemperature in a small grate with staged air.

In  batch  combustion,  the  combustionconditions  are more  incomplete  and  vary  duringthe different combustion phases. From the CMHthe  typical  PM1  values were  1.6–1.8 g  kg­1,  andfrom  the  SS  2.7–5.0  g  kg­1,  but  were  stronglydependent  on  operational  practices.    With  anoptimal  operational  technique,  the  PM1  from  aCMH  was as  low as 0.6 g kg­1. Respectively,  insmouldering  combustion  the  PM1  emissionincreased  to  10  g  kg­1.  Fine  ash  comprised  20–30% of PM1  from  the CMH, whereas PM1  fromthe  SS  was  composed  mainly  of  EC  (55%)  andPOM (41%). From smouldering combustion,  thepercentage  of POM  even  increased:  it  was  69%of analyzed PM1, whereas EC comprized 28% ofPM1.  The  highest  emissions  were  causedpresumably  by  the  overall  lack  of  availableoxygen  which  led  to  incomplete  combustionconditions  in  masonry  heaters  and  sauna  stoveswith  too  fast  pyrolysis  and  too  high  a  fuelcombustion rate. The high emissions from saunastoves  were  also  due  to  the  conventionalcombustion  technique  with  a  small  firebox  andshort  ducts  without  significant  secondary  airsupply.  Respectively,  the  good  secondarycombustion  in  the  MMH  reduced  the  POM  andgaseous  emissions,  but  not  substantially  the  ECemission.  In  the best  cases, PM1  emissions were0.3–0.5  g  kg­1,  whereas  the  typical  values  areabout 0.7–0.8 g  kg­1.

Page 54: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

56                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

The  POM  and  EC  correlated  very  wellwith  the  PM1  emissions,  whereas  fine  ashemission was dependent only on  the combustiontemperature  in  RWC.  However,  the  chemicalcomposition of the fuel ash had a strong effect onthe release of alkali metals, when the agriculturalfuels were compared with wood pellet. The PM1emission  values  from  the  CMH  and  pelletappliances  were  well  comparable  with  thosereported  in  other  studies,  whereas  the  PM1emissions from the MMH were lower, and thosefrom  the  SS  mainly  higher,  than  in  other  batchcombustion studies.

In  the  submicron  range,  the  mass  sizedistribution  was  uni­  or  bimodal  depending  oncombustion conditions. In some cases, there wasalso  an  indication  of  a  supermicron  mode  ataround 1–5 µm particle diameter. The mass meandiameter  (MMD) was about 160 nm  from pelletcombustion,  200–300  nm  from  the  normalcombustion of the CMH, and over 500 nm in thesmouldering combustion of the CMH.

On  average,  there  were  no  cleardifferences  in  number  emissions  betweendifferent  appliances  and  they  did  also  notcorrespond with the completition of combustion.The particle number emission were high, varyingfrom  1.0  ×  1014  kg­1  to  42  ×  1014  kg­1.  Theparticle  number  distributions  were  mainlydominated  by  ultrafine  (<100  nm)  particles,  butvaried dependent on combustion conditions. Theoccurrence  of  the  nucleation  mode  in  RWC  isvery rare. In the wintertime field experiments weobserved  that  the  nucleation  of  organiccompounds  does  not  occur  in  the  firebox  butrather  in  the  chimney  when,  in  addition  tosmouldering combustion,  the prevailing physicalconditions in the flue gas are favourable.

The particle number emission was  relatedto the particle size in such a way that incompletecombustion  produced  lower  number  emissionsbut  larger  particle  sizes  than  more  completecombustion.  According  to  parallel  particle  sizedistribution  and  morphology  measurements  inthis study, it seems that the released ash particlesmay  play  an  important  role  in  the  formation  ofthe  particle  number  emission  in  RWC.  In  theCMH  experiments,  the  ultrafine  mode  in  the

particle  number  distributions  seemed  to  bedetermined mainly by the amount of released ashforming  material  in  combustion.  Respectively,the  shifting  of  particle  size  during  differentcombustion  conditions  seemed  to  be determinedby  the  amount  of  condensed  organic  vapour  inthe flue gas. Thus, it seems that the released ashparticles  may  play  an  important  role  in  theformation of the particle number emission also inincomplete combustion conditions. Generally, themorphology  of  RWC  particles  is  very  complexand  varies  remarkably  between  differentcombustion  conditions  and  thus,  moreinformation is yet needed.

Controlling  the  gasification  rate  via  theprimary air supply, log and batch size, as well asfuel  moisture  content,  is  important  for  thereduction  of  emissions  in  batch  combustionappliances.  For  good  combustion  quality,  shortcharging  intervals  with  small  batch  size  arerequired.  To  reduce  emissions  of  sauna  stoves,the  combustion  technique  or  secondary  removaltechniques  must  be  developed.  In  goodcombustion,  the  release  of  alkali metals  may  bereduced  with  the  use  of  a  suitable  mixture  ofpellet  fuels.  In  addition,  the  size  of  pelletcombustion  units  with  pilot  flames  should  besuch  that  continuous  combustion  is  probable.  Ifthis  is not possible,  these appliances should alsobe equipped with heat storage tanks.

This  thesis  provided  detailed  informationabout  fine  particle  emissions  from  RWC  whichcan  be  used  in  the  development  of  combustiontechniques  that produce  fewer fine particles, andalso as the scientific base for further studies. Theresults  can  also  be  used  to  exploit  thedevelopment  of  secondary  removal  techniquesfor  small  scale  biomass  combustion  and  thedetermining  of  measurements  standard  forparticle measurement from RWC. In addition, theuncertainty  ranges  produced  can  be  exploited  inemission  inventories.  In  future,  the  harmfulnessof  different  types  of  particles  should  also  bestudied:  in  particular,  the  health  effects  of  fineash  particles  should  be  determined.  Also  basicresearch  on  particle  formation  mechanism  onspecific  combustion  conditions  will  be  evenneeded.

Page 55: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 57

8 References

Ahlvik,  P.,  Ntziachristos,  L.,  Keskinen,  J.  andVirtanen, A. (1998) Real time measurementsof  diesel  particle  size  distributions  with  anelectrical  low  pressure  impactor. SAE  Tech.Pap. Ser. No. 980410.

Alfarra,  M.R.,  Prevot,  A.S.H.,  Szidat,  S.,Sandradewi,  J.,  Weimer,  S.,  Lanz,  V.A.,Schreiber,  D.,  Mohr,  M.,  Baltensperger,  U.(2007)  Identification  of  the  mass  spectralsignature  of  organic  aerosols  from  woodburning  emissions. Environ.  Sci.  Technol.41, 5770–5777.

Amann,  C.A.,  Siegla,  D.C.  (1982)  Dieselparticulates–what they are and why. AerosolSci. Technol. 1, 73–101.

Baron,  P.A.,  Willeke,  K.  (Ed.)  (2001) Aerosolmeasurement  ­  principles,  techniques,  andapplications.  2nd  Edition.  John  Wiley  &Sons, New York.

Bartok,  W.,  Sarofilm,  A.F.  (1991) Fossil  fuelcombustion.  A  source  book.  John  Wiley  &Sons, New York.

Baxter,  L.,  Coombes,  P.,  Gifford,  J.,  Guiu,  G.,Houmann,  Jakobsen,  H.,  Koppejan,  J.,Livingston,  W.,  Logie,  R.,  Loo,  van,  S.,Nussbaumer,  T.,  Obenberger,  I.,  Oravainen,H.,  Schenkel,  Y.,  Skreiberg,  O.,  Tullin,  C.(2002) Handbook  of  biomass  combustionand  co­firing.  Twente  University  Press,Enschede.

Bhattacharya,  S.C.,  Albina,  D.O.,  Abdul  Salam,P.  (2002)  Emission  factors  of  wood  andcharcoal­fired  cookstoves. BiomassBioenergy 23, 453–469.

Blander,  M.,  Pelton,  A.D.  (1997)  The  inorganicchemistry of the combustion of wheat straw.Biomass Bioenergy 12, 295–298.

Bockhorn,  H.  (1994) Soot  Formation  incombustion,  mechanisms  and  models.Springer­Verlag, Berlin, 596 p.

Boman  B.C.,  Forsberg,  A.B.,  Järvholm,  B.G.(2003a) Adverse health effects from ambientair  pollution  in  relation  to  residential  woodcombustion  in  modern  society. Scand.  J.Work Environ. Health 29, 251–260.

Boman,  C.,  Nordin,  A.,  Thaning,  L.  (2003b)Effects  of  increased  biomass  pelletcombustion  on  ambient  air  quality  inresidential  areas— a  parametric  dispersionmodelling  study. Biomass  Bioenergy 24,465–474.

Boman, C., Nordin, A., Bostrom, D., Ohman, M.(2004)  Characterization  of  inorganicparticulate  matter  from  residentialcombustion  of  pelletized  biomass  fuels.Energy Fuels 18, 338–348.

Boman,  C.,  Nordin,  A.,  Westerholm,  R.,Pettersson,  E.  (2005)  Evaluation  of  aconstant  volume  sampling  setup  forresidential  biomass  fired  appliances–influence  of  dilution  conditions  onparticulate  and  PAH  emissions. BiomassBioenergy 29, 258–268.

Burtscher, H. (2001) Sampling, measurement andcharacterization  of  combustion  aerosols  forchemistry,  morphology,  and  sizedistribution.  In:  Nussbaumer,  T.  (ed.).Aerosols  from  biomass  combustion.Verenum, Zürich, 19–27.

Christensen,  K.A.,  Stenholm,  M.,  Livjberg,  H.(1998)  The  formation  of  submicron  aerosolparticles, HCl and SO2 in straw­fired boilers.J. Aerosol Sci. 29, 421–444.

Colbeck,  I., Atkinson, B.,  Johart, Y.  (1997) Themorphology  and  optical  properties  of  sootproduced  by  different  fuels. J.  Aerosol  Sci.28, 715–723.

D’Anna,  A.,  D’Alessio,  A.,  Minutolo,  P.  (1994)Spectroscopic  and  chemical  characterizationof  soot  inception  processes  in  premixedlaminar  flames  at  atmospheric  pressure.  In:Bockhorn,  H.  (ed.). Soot  formation  incombustion,  mechanisms  and  models.Springer­Verlag, Berlin, 83–103.

Davidsson,  K.O.,  Stojkova,  B.J.,  Pettersson,J.B.C.  (2002)  Alkali  emission  frombirchwood  particles  during  rapid  pyrolysis.Energy Fuels 16, 1033–1039.

Dayton,  D.C.,  French,  R.J.,  Milne,  T.A.  (1995)Direct  observation  of  alkali  vapor  releaseduring biomass combustion and gasification.

Page 56: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

58                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

1.  Application  of  molecular  beam/massspectrometry  to  switchgrass  combustion.Energy Fuels 9, 855–865.

Dayton, D.C., Jenkins, B.M., Turn, S.Q., Bakker,R.R., Williams, R.B., Belle­Oudry, D., Hill,L.M.  (1999)  Release  of  inorganicconstituents  from  leached  biomass  duringthermal  conversion. Energy  Fuels 13,  860–870.

Dockery,  D.W.,  Pope,  C.A.  3rd,  Xu,  X.,Spengler, J.D., Ware, J.H., Fay, M.E., Ferris,B.G. Jr, Speizer, F.E. (1993) An associationbetween  air  pollution  and  mortality  in  sixU.S. cities. N. Engl. J. Med. 329, 1753–1759.

EPA  (1996a)  Technology  transfer  network.Clearinghouse  for  inventories  &  emissionsfactors. AP  42,  Fifth  Edition,  Volume  I.Chapter  1.10:  Residential  Wood  Stoves,EPA.

EPA  (1996b)  Technology  transfer  network.Clearinghouse  for  inventories  &  emissionsfactors. AP  42,  Fifth  Edition,  Volume  I.Chapter 1.9: Residential Fireplaces, EPA.

EPA Method 5G (2000) Method 5G ­ PM woodheaters  from  a  dilution  tunnelhttp://www.epa.gov/ttn/emc/promgate.html

Fine,  P.M.,  Cass,  G.R.,  Simoneit,  B.R.T.  (2001)Chemical  characterization  of  fine  particleemissions  from  fireplace  combustion  ofwoods  grown  in  the  Northeastern  UnitedStates. Environ.  Sci.  Technol. 35,  2665–2675.

Flagan, R.C., Seinfeld, J.O. (1988) Fundamentalsof  Air  Pollution  Engineering.  Prentice  HallInc., New Jersey.

Frey,  A.K.,  Tissari,  J.,  Saarnio,  K.,  Timonen,H.J.,  Tolonen­Kivimäki,  O.,  Aurela,  M.A.,Saarikoski,  S.K.,  Makkonen,  U.,  Hytönen,K.,  Jokiniemi,  J.,  Salonen,  R.O.,  Hillamo,R.E.J.  (2008).  Chemical  composition  andmass  size  distribution  of  fine  particulatematter  emitted  by  a  small  masonry  heater.Accepted to Boreal Environ. Res.

Gaegauf,  C.K.,  Wieser,  U.,  Macquat,  Y.  (2001)Field investigation of nanoparticle emissionsfrom  various  biomass  combustion  systems.In:  Nussbaumer,  T.  (ed.). Aerosols  frombiomass  combustion.  Verenum,  Zürich,  81–85.

Glasius,  M.,  Ketzel,  M.,  Wåhlin, P.,  Jensen,  B.,Mønster,  J.,  Berkowicz,  R.,  Palmgren,  F.(2006)  Impact  of  wood  combustion  onparticle  levels  in  a  residential  area  inDenmark. Atmos. Environ. 40, 7115–7124.

Gray,  H.A.,  Cass,  G.R.,  Huntzicker,  J.J.,Heyerdahl,  E.K.,  Rau,  J.A.  (1986)Characteristics  of  atmospheric  organic  andelemental  carbon  particle  concentrations  inLos Angeles. Environ. Sci.Technol. 20, 580–589.

Hays,  M.D.,  Smith,  N.D.,  Kinsey,  J.,  Dong,  Y.,Kariher,  P.  (2003)  Polycyclic  aromatichydrocarbon  size  distributions  in  aerosolsfrom  appliances  of  residential  woodcombustion as determined by direct ther­maldesorption  –  GC/MS. J.  Aerosol  Sci. 34,1061–1084.

Hedberg,  E.,  Kristensson,  A.,  Ohlsson,  M.,Johansson, C.,  Johansson, P., Swietlicki, E.,Vesely,  V.,  Wideqvist,  U.,  Westerholm,  R.(2002)  Chemical  and  physicalcharacterization  of  emissions  from  birchwood  combustion  in  a  wood  stove. Atmos.Environ. 36, 4823–4837.

Hildemann,  L.M.,  Cass,  G.R.,  Markowski,  G.R.(1989)  A  dilution  stack  sampler  forcollection  of  organic  aerosol  emissions:design,  characterization  and  field  tests.Aerosol Sci. Technol. 10, 193–204.

Houg, J.E., Tiegs, P.E., (1998) Residential woodcombustion  technology  review.  Volume  1.Technical Report. EPA­600/R­98­174a.

Hueglin,  C.H.,  Gaegauf,  C.H.,  Burtscher,  H.(1997) Characterization of wood combustionparticles:  morphology,  mobility,  andphotoelectric activity. Environ. Sci. Technol.31, 3439–3447.

Hübner,  C.,  Boos,  R.,  Prey,  T.  (2005)  In­fieldmeasurements  of  PCDD/F  emissions  fromdomestic  heating  appliances  for  solid  fuels.Chemosphere 58, 367–372.

IPCC  (2007)  An  assessment  of  theIntergovernmental Panel on Climate Change(IPCC).  Fourth  assessment  report.  ClimateChange 2007: Synthesis report. Summary forpolicymakers.

Ishiguro,  T.,  Takatori,  Y.,  Akihama,  K.  (1997)Microstructure  of  Diesel  Soot  Particles

Page 57: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

8. REFERENCES

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 59

Probed  by  Electron  Microscopy:  FirstObservation  of  Inner  Core  and  Outer  Shell.Combust. Flame 108, 231–234.

Jalava,  P.I.,  Salonen,  R.O.,  Hälinen,  A.I.,Penttinen, P., Pennanen, A.S., Sillanpää, M.,Sandell,  E.,  Hillamo,  R.,  Hirvonen,  M­R.(2006)  In  vitro  inflammatory  and  cytotoxiceffects  of size­segregated particulatesamplescollected  during  long­range  transport  ofwildfire  smoke  to  Helsinki. Toxicol.  Appl.Pharmacol. 215, 341–353.

Jensen,  P.A.,  Frandsen,  F.J.,  Dam.Johansen,  K.,Sander, B. (2000) Experimental investigationof  the  transformation  and  release  to  gasphase of potassium and chlorine during strawpyrolysis. Energy Fuels 14, 1280–1285.

Johansson,  L.S.,  Leckner,  B.,  Gustavsson,  L.,Cooper,  D.,  Tullin,  C.,  Potter,  A.  (2004).Emission characteristics of modern and old­type residential boilers fired with wood logsand wood pellets. Atmos. Environ. 38, 4183–4195.

Johansson, L., Tullin, C., Leckner, B., Sjövall, P.2003.  Particle  Emissions  from  biomasscombustion  in  small  combustors. BiomassBioenergy 25, 435–446.

Jokiniemi,  J.,  Lazaridis,  M.,  Lehtinen,  M.  andKauppinen  E.  (1994)  Numerical  simulationof  vapour­aerosol  dynamics  in  combustionprocesses. J. Aerosol Sci. 25, 429–446.

Jordan, T.B., Seen, A.J.  (2005) Effect of airflowsetting  on  the  organic  composition  ofwoodheater  emissions. Environ.  Sci.Technol. 39, 3601–3610.

Kappos,  A.D.,  Bruckmann,  P.,  Eikmann,  T.,Englert,  N.,  Heinrich,  U.,  Höppe,  P.,  Koch,E.,  Krause,  G.H.M.,  Kreyling,  W.G.,Rauchfuss,  K.,  Rombout,  P.,  Schulz­Klemp,V.,  Thiel,  W.R.,  Wichmann,  H.­E.  (2004)Health effects of particles in ambient air. Int.J. Hyg. Environ. Health 207, 399–407.

Karvosenoja  N.,  Tainio  M.,  Kupiainen  K.,Tuomisto  J.T.,  Kukkonen  J.,  Johansson  M.(2008)  Evaluation  of  the  emissions  anduncertainties  of  PM2.5  originated  fromvehicular  traffic  and  domestic  woodcombustion in Finland. Boreal Environ. Res.13, In Press.

Kauppinen,  E.I.and  Pakkanen,  T.A.  (1990)  Coalcombustion aerosols: a  field study. Environ.Sci Technol. 24, 1811–1818.

Keskinen,  J.,  Pietarinen,  K.  and  Lehtimäki,  M.(1992) Electrical  Low  Pressure  Impactor. J.Aerosol Sci. 23, 353–360.

Kleeman,  M.J.,  Schauer,  J.J.,  Cass,  G.R.  (1999)Size  and  composition  distribution  of  fineparticulate  matter  emitted  from  woodburning,  meat  charbroiling,  and  cigarettes.Environ. Sci. Technol. 33,  3516–3523.

Kleindienst,  T.,  Edney,  E.,  Wandowski,  M.,Offenberg,  J.,  Jaoui,  M. (2006)  Secondaryorganic  carbon  and  aerosol  yields  from  theirradiations  of  isoprene  and  r­Pinene  in  thepresence  of  NOx and  SO2. Environ.  Sci.Technol. 40, 3807–3812.

Knaus,  H.,  Richter,  S.,  Unterberger,  S.,  Schnell,U.,  Maier,  H.,  Hein,  K.R.G.  (2000)  On  theapplication  of  different  turbulence  modelsfor  the  computation  of  fluid  flow  andcombustion  processes  in  small  scale  woodheaters. Exp. Therm. Fluid Sci. 21, 99–108

Knudsen, J. N., Jensen, P. A., Dam­Johansen, K.(2004) Transformation and release to the gasphase of Cl, K, and S during combustion ofannual  biomass. Energy  Fuels 18, 1385–1399.

Kocbach,  A.,  Johansen,  B.V.,  Schwarze,  P.E.,Namork,  E.  (2005)  Analytical  electronmicroscopy  of  combustion  particles:  acomparison  of  vehicle  exhaust  andresidential  wood  smoke. Sci. Total Environ.346, 231–243.

Koyuncu,  T.,  Pinar,  Y.  (2007)  The  emissionsfrom a space­heating biomass stove. BiomassBioenergy 31,73–79.

Kozi ski,  J.A.,  Saade,  R.  (1998)  Effect  ofbiomass  burning  on  the  formation  of  sootparticles  and  heavy  hydrocarbons.  Anexperimental study. Fuel 71, 225–231.

Kukkonen,  J., Pohjola, M., Sokhi, R.S., Luhana,L.,  Kitwiroon,  N.,  Fragkou,  L.,  Rantamäki,M.,  Berge,  E.,  Ødegaard,  V.,  Slørdal,  L.H.,Denby,  B.,  Finardi,  S.  (2005)  Analysis  andevaluation  of  selected  local­scale  PM10  airpollution  episodes  in  four  European  cities:Helsinki,  London,  Milan  and  OsloAtmos. Environ. 39, 2759–2773.

Page 58: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

60                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

Larson, T.V., Koenig, J.Q. (1994) Wood smoke:emissions and noncancer respiratory  effects.Ann. Rev. Public Health 15, 133–156.

Launhardt, T., Thoma, H. (2000) Investigation onorganic  pollutants  from  a  domestic  heatingsystem  using  various  solid  biofuels.Chemosphere 40, 1149–1157.

Lee,  R.G.M.,  Coleman,  P.,  Jones,  J.L.,  Jones,K.C.,  Lohmann,  R.  (2005) Emission  factorsand  importance  of  PCDD/Fs,  PCBs,  PCNs,PAHs and PM10 from the domestic burningof  coal  and  wood  in  the  U.K. Environ.  Sci.Technol. 39, 1436–1447.

Lipsky,  E.M.,  Robinson,  A.L.  (2006)  Effects  ofdilution  on  fine  particle  mass  andpartitioning of semivolatile organics in dieselexhaust  and  wood  smoke. Environ.  Sci.Technol. 40, 155–162.

Lighty, J.S., Veranth, J.M., Sarofim, A.F. (2000)Combustion aerosols: factors governing theirsize  and  composition  and  implications  tohuman health. J. Air & Waste Manag. Assoc.50, 1565–1618.

Lillieblad,  L.,  Szpila,  A.,  Strand.M.,  Pagels,  J.,Rupar­Gadd,  K.,  Gudmundsson,  A.,Swietlicki,  E.,Bohgard,  M.,  Sanati,  M.(2004)  Boiler  operation  influence  on  theemissions  of  submicrometer­sized  particlesand  polycyclic  aromatic  hydrocarbons  frombiomass­fired grate boilers. Energy Fuels 18,410–417.

Lindström,  E.,  Sandström,  M.,  Boström,  D.,Öhman,  M.  (2007)  Slagging  characteristicsduring  combustion  of  cereal  grains  rich  inphosphorus. Energy Fuels 21, 710–717.

Liu, Q., Sasco, A.J., Riboli, E., Hu, M.X. (1993)Indoor  air  pollution  and  lung  cancer  inGuangzhou, People's Republic of China. Am.J. Epidemiol. 137, 145–154.

Lyyränen,  J.,  Jokiniemi,  J.,  Kauppinen,  E.  I.,Backman,  U.  (2004).  Comparison  ofdifferent  dilution  methods  for  measuringdiesel  particle  emissions. Aerosol  Sci.Technol. 38, 12–23.

Maricq, M., Podsiadlik, D. and Chase, R. (1999)Examination  of  the  size­resolved  andtransient  nature  of  motor  vehicle  particleemissions. Environ. Sci. Technol. 33,  1618–1626.

Mazzoleni,  L.R.,  Zielinska,  B.,  Moosmuller,  H.(2007)  Emissions of  levoglucosan, methoxyphenols,  and  organic  acids  from  prescribedburns,  laboratory  combustion  of  wildlandfuels,  and  residential  wood  combustion.Environ. Sci. Technol. 41, 2115–2122.

McDonald,  J.D.,  Zielinska,  B.,  Fujita,  E.M.,Sagebiel,  J.C.,  Chow,  J.C.,  Watson,  J.G.(2000)  Fine  particle  and  gaseous  emissionrates  from  residential  wood  combustion.Environ. Sci. Technol. 34, 2080–2091.

McDow,  S.R.,  Huntzicker,  J.J.  (1990)  Vaporadsorption artifact in the sampling of organicaerosol:  face  velocity  effects. Atmos.Environ. 24A, 2563–2571.

Moisio,  M.  (1999) Real  time  size  distributionmeasurement of  combustion  aerosols.  Ph.D.Thesis  Tampere  University  of  Technologypublications 279, Tampere Finland.

Muhlbaler  Dasch,  J.  (1982)  Particulate  andgaseous  emissions  from  wood­burningfireplaces. Environ.  Sci.  Technol. 16,  636–645.

Naeher,  L.P.,  Brauer,  M.,  Lipsett,  M.,  Zelikoff,J.T.,  Simpson,  C.D.,  Koenig,  J.Q.,  Smith,K.R.  (2007)  Woodsmoke  health  effects:  Areview. Inhal. Toxicol. 19, 67–106.

NIOSH  Elemental  Carbon  (Diesel  Particulate)Method  5040.  In NIOSH  Manual  ofAnalytical  Methods  (NMAM),  4th  ed.;  TheNational  Institute  for  Occupational  Safetyand Health: Atlanta, GA, 1999.

NS  3058­2.  (1994)  Lukkede  vedfyrte  ildsteder.Røykutslipp.  Del  2:  Bestemmelse  avpartikulæutslipp.  Oslo:  NorgesStandardiseringsforbund (NSF).

Nussbaumer,  T.  (2003)  Combustion  and  co­combustion  of  biomass:  fundamentals,technologies,  and  primary  measures  foremission reduction. Energy Fuels 17, 1510–1521.

Oanh, N.T.K., Albina, D.O., Ping, L., Wang, X.(2005)  Emission  of  particulate  matter  andpolycyclic  aromatic  hydrocarbons  fromselect  cookstove–fuel  systems  in  Asia.Biomass Bioenergy 28, 579–590.

Oanh,  N.T.K.,  Reutergardh,  L.B.,  Dung,  N.T.(1999)  Emission  of  polycyclic  aromatichydrocarbons  and  particulate  matter  from

Page 59: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

8. REFERENCES

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 61

domestic  combustion  of  selected  fuels.Environ. Sci. Technol. 33, 2703–2709.

Olsson, J.G., Jäglig, U., Pettersson, J.B.C. (1997)Alkali  metal  emission  during  pyrolysis  ofbiomass. Energy Fuels 11, 779–784.

Oser, M., Nussbaumer, T., Schweizer, B., Mohr,M.,  Figi,  R.  (2001).  Influences  on  aerosolformation in an automatic wood furnace. In:Nussbaumer, T. (ed.). Aerosols from biomasscombustion. Verenum, Zürich, 59–64.

Pagels,  J.,  Strand,  M.,  Rissler,  J.,  Szpila,  A.,Gudmundsson,  A.,  Bohgard,  M.,  Lillieblad,L.,  Sanati,  M.,  Swietlicki,  E.  (2003).Characteristics  of  aerosol  particles  formedduring  grate  combustion  of  moist  forestresidue. J.Aerosol Sci. 34, 1043–1059.

Pintos, J., Franco, E.L., Kowalski, L.P., Oliveira,P.V.,  Curado,  M.P.  (1998)  Use  of  woodstoves and risk of cancers of the upper aero­digestive  tract:  a  case­control  study.  Int.  J.Epidemiol. 27, 936–940.

Pope, C.A. 3rd, Burnett, R.T., Thun, M.J., Calle,E.E.,  Krewski,  D.,  Ito,  K.,  Thurston,  G.D.(2002)  Lung  cancer,  cardiopulmonarymortality  and  long­term  exposure  to  fineparticulate air pollution. J. Am. Med. Assoc.287, 1132–1141.

Pope  3rd,  C.A.,  Dockery,  D.  W.  (2006)  Healtheffects of fine particulate air pollution: linesthat connect. J. Air & Waste manag. Assoc.56, 709–742.

Presto  A.,  Huffhartz  K.,  Donahue  N.  (2005)Secondary  organic  aerosol  production  fromterpene  ozonolysis.  2.  Effect  of  NOxconcentration. Environ.  Sci.  Technol. 39,7046–7054.

Purvis,  C.R.,  McCrillis,  R.C.,  Kariher,  P.H.(2000)  Fine  particulate  matter  (PM)  andorganic  speciation  of  fireplace  emissions.Environ. Sci. Technol. 34, 1653–1658.

Pyykönen,  J.,  Miettinen,  M.,  Sippula,  O.,Leskinen,  A.,  Raunemaa,  T.,  Jokiniemi,  J.,(2007)  Nucleation  in  a  perforated  tubediluter. J. Aerosol Sci. 38, 172–191.

Robinson,  A.L.,  Donahue,  N.M.,  Shrivastava,M.K.,  Weitkamp,  E.A.,  Sage,  A.M.,Grieshop,  A.P.,  Lane,  T.E.,  Pierce,  J.R.,Pandis,  S.N.  (2007)  Rethinking  organicaerosols:  semivolatile  emissions  and

photochemical  aging. Science 315,  1259–1262.

Rogge, W.F., Hildemann, L.M., Mazurek, M.A.,Cass,  G.R.  (1998)  Sources  of  fine  organicaerosol.  9.  pine,  oak,  and  synthetic  logcombustion  in  residential  fireplaces.Environ. Sci. Technol. 32, 13–22.

Salonen, R.O.,  Pennanen, A.  (2007)  The  Impactof  Fine  Particles  on  Health  Views  andConclusions  from  the  FINE  Particles  –Technology,  Environment  and  HealthTechnology  Programme  Edited  by  PeterHerring.  Original  Finnish  version  by  TimoPaukku. Tekes, Helsinki.

Schauer,  J.J.,  Kleeman,  M.J.,  Cass,  G.R.,Simoneit,  B.R.T.  (2001)  Measurement  ofemissions  from air pollution sources. 3. C1­C29  organic  compounds  from  fireplacecombustion of  wood. Environ. Sci. Technol.35, 1716–1728.

Seaton,  A.,  MacNee,  W.,  Donaldson,  K.,Godden,  D.  (1995)  Particulate  air  pollutionand  acute  health  effects. Lancet  345,  176–178.

Seinfeld,  J.H.,  Pandis, S.N.  (1998). Atmosphericchemistry and physics: from air pollution toclimate  change.  A  Wiley­Intersciencepublication, USA.

SFS  5624  (1990)  Air  quality.  Stationary  sourceemissions.  Determination  of  flue  gasconditions.  Finnish  Standards  AssociationSFS, Helsinki.

Shi,  J.P., Harrison, R.M.  (1999)  Investigation ofultrafine  particle  formation  during  dieselexhaust  dilution. Environ.  Sci.  Technol. 33,3730–3736.

Silva, P.J., Liu, D.­Y., Noble, C.A., Prather, K.A.(1999) Size and chemical characterization ofindividual  particles  resulting  from  biomassburning  of  local  southern  california  species.Environ. Sci. Technol. 33, 3068–3076.

Simoneit,  B.R.T.,  Schauer,  J.J.,  Nolte,  C.G.,Oros, D.R., Elias, V.O., Fraser, M.P., Rogge,W.F.,  Cass,  G.R.  (1999)  Levoglucosan,  atracer  for  cellulose  in  biomass  burning  andatmospheric  particles. Atmos.  Environ. 33,173–182.

Sippula, O., Hytönen, K., Tissari,  J., Raunemaa,T., Jokiniemi, J. (2007a) Effect of wood fuel

Page 60: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Jarkko Tissari: Fine particle emissions from residential wood combustion

62                                                                         Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008)

on  the  emissions  from  a  top­feed  pelletstove. Energy Fuels 21, 1151–1160.

Sippula,  O.,  Hokkinen,  J.,  Puustinen,  H.,  Yli­Pirilä P.,  Jokiniemi,  J.  (2007b) Fine particleemissions  from  biomass  and  heavy  fuel  oilcombustion  without  effective  filtration(BIOPOR).  VTT  Working  Papers 72,  VTT,Espoo.

Sippula, O., Lind, T., Jokiniemi, J. (2008) Effectsof chlorine and sulphur on particle formationin  wood  combustion  performed  in  alaboratory  scale  reactor. Fuel. 87,  2425–2436.

Stehler,  A.  (2000)  Technologies  of  woodcombustion. Ecol. Eng. 16, S25–S40

Tiitta,  P.,  Raunemaa,  T.,  Tissari,  J.,  Yli­Tuomi,T., Leskinen, A., Kukkonen, J., Härkönen, J.,Karppinen,  A.  (2002)  Measurements  andmodelling  of  PM2.5  concentrations  near  amajor  road  in  Kuopio,  Finland. Atmos.Environ. 36, 4057–4068.

Tissari, J., Nuutinen, J., Hytönen, K., Tuomi, S.,Kouki,  J.,  Vuorio,  K.  (2003)  Stoker  andpellet burner measurements at Finnish WorkEfficiency  Institute,  Rajamäki,  3.­6.6.2003.PIPO reports 4 and 5. University of Kuopio.

Tissari, J., Nuutinen, J., Hytönen, K., Tuomi, S.,Kouki, J., Vuorio, K., Raunemaa, T. (2004a)Comparison  of  Fine  Particle  and  COEmissions from a Top­Feed Pellet Stove andan Under­Feed Pellet Burner.  In: Jokiniemi,J., Backman, U., Salonen, M.  (Eds.) The  IXFinnish  National  Aerosol  Symposium,  10.­12.3.2004.  Report  series  in  aerosol  science67, 105–108. Finnish association for aerosolresearch (FAAR).

Tissari, J., Nuutinen, J., Hytönen, K., Tuomi, S.,Kouki, J., Vuorio, K., Raunemaa, T. (2004b)Fine particle and CO emissions in an under­feed  pellet  burner.  In:  Raunemaa,  T.  et  al.(Eds.) Proceedings  of  the  1st  InternationalSymposium  on  Incomplete  Combustion,November  9–11.2003,  Kuopio,  Finland.Abstracts. Kuopio University Publications C.Natural  and  Environmental  Sciences  172,71–74.

Tissari,  J.  (Ed.),  Raunemaa,  T.,  Jokiniemi,  J.,Sippula,  O.,  Hytönen,  K.,  Linna,  V.,Oravainen,  H.,  Pyykönen,  J.,  Tuomi,  S.,

Vesterinen,  R.,  Taipale,  R.,  Kolsi,  A.,Nuutinen,  I.,  Kouki,  J.,  Vuorio,  K.  (2005a)Fine  particle  emissions  from  small  scalewood  combustion.  Report  series  ofDepartment  of  Environmental  Science2/2005,  University  of  Kuopio.  (In  Finnish,English abstract).

Tissari,  J.,  Salonen,  R.  O.,  Vesterinen,  R.,Jokiniemi,  J.  (Eds.)  (2007) Emissions  fromresidential wood combustion, air quality andhealth. Report  series  of  Department  ofEnvironmental Science 2/2007, University ofKuopio. (In Finnish, English abstract).

Tissari, J., Sippula, O., Yli­Pirilä, P., Raunemaa,T.,  Tuomi,  S.,  Kouki,  J.,  Vuorio,  K.,Jokiniemi, J. (2005b) Emissions of wood logcombustion  for  normal  and  smoulderingconditions.  Proceedings  of  the  EuropeanAerosol Conference, p.  362.

Tucker,  W.  G.  (2001).  Volatile  organiccompounds. In: Spengler, J. D., Samet, J. M.and McCarthy, J. F. (Ed.). Indoor air qualityhandbook..  McGraw­Hill,  New  York,Chapter 31, 1–20.

Turpin,  J.  T.,  Lim,  H.  (2001)  Speciescontributions to PM2.5 mass concentrations:Revisting  common  assumptions  forestimating  organic  mass. Aerosol  Sci.Technol. 35, 602–610.

Turrek,  T.  (2004)  Dilution  techniques  forcombustion  aerosol  sampling.  Technicalreport.  Report  series  of  Department  ofEnvironmental  Sciences  6/2004.  Universityof Kuopio.

Tsukamoto,  Y.,  Goto,  Y. and  Odaka,  M.  (2000)Continuous  measurement  of  dieselparticulate  emissions  by  an  electrical  low­pressure  impactor. SAE Tech.  Pap,  Ser. No.2000­01­1138.

Vaaraslahti,  K.,  Virtanen,  A.,  Ristimaki,  J.,Keskinen,  J.  (2004).  Nucleation  modeformation  in heavy­duty diesel exhaust withand without a particulate filter. Environ. Sci.Technol. 38, 4884–4890.

Valmari,  T.,  Kauppinen,  E.I.,  Kurkela,  J.,Jokiniemi,  J.K,  Sfiris,  G.,  Revitzer,  H.(1998)  Fly  ash  formation  and  depositionduring  fluidized  bed  combustion  of  willow.J. Aerosol Sci. 29, 445–459.

Page 61: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

8. REFERENCES

Kuopio Univ. Publ. C. Nat. and Environ. Sci. 237:1–63 (2008) 63

van  Loo  S.  and  Koppejan  J.  (eds.)  (2008)Handbook  of  biomass  combustion  and  co­firing. Twenty University Press, Enchede.

Venkataraman,  C.,  Uma  Maheswara  Rao,  G.(2001) Emission factors of carbon monoxideand  size­resolved  aerosols  from  biofuelcombustion. Environ.  Sci.  Technol. 35,2100–2107.

Viau,  C.,  Hakizimana,  G.,  Bouchard,  M.  (2000)Indoor  exposure  to  polycyclic  aromatichydrocarbons  and  carbon  monoxide  intraditional  houses  in  Burundi. Int  ArchOccup Environ Health 73, 331–338.

Wang,  C.,  Seames,  W.S.,  Gadgil,  M.,  Hrdlicka,J.,  Fix,  G.  (2007)  Comparison  of  coal  ashparticle  size  distributions  from  berner  anddekati  low  pressure  impactors. Aerosol  Sci.Technol. 41, 1062–1075.

Watson,  J.G.,  Chow,  J.C., Chen  L.­W.A.  (2005)Summary  of  organic  and  elementalcarbon/black carbon analysis methods and

  ntercomparisons. Aerosol  and  Air  QualityResearch 5, 65–102.

Wierzbicka, A., Lillieblad, L., Pagels, J., Strand,M.,        Gudmundsson,      A.,    Gharibi,      A.,Swietlicki,  E.,  Sanati,  M.,  Bohgard,  M.(2005)  Particle  emissions  from  districtheating  units  operating  on  three  commonlyused biofuels, Atm. Env. 39, 139–150.

Wiinikka,  H.  (2005) High  temperature  aerosolformation and emission minimisation duringcombustion  of  wood  pellets.  PhD  thesis,Department  of  Applied  Physics  andMechanical Engineering, Luleå University ofTechnology.

World  Health  Organization  (WHO)  (1994)Update  and  revision  of  the  air  qualityguidelines  for  Europe.  ReportEUR/ICP/EHAZ  94  05/PB01  of  workinggroup  on  “classical”  air  pollutants,  11­14October  1994,  Bilthoven,  NL.  Copenhagen,Denmark: WHO Regional Office for Europe,1995 (EUR/HFA target 21).

Page 62: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 63: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

APPENDIX I: EMISSION FACTOR TABLES.Table 1. Fine particle number (N) emission factors (×1014 # kg­1) and particle geometric

mean size (GMD, nm) measured in this study (I–IV) and other studies.

This study            Other studiesN N GMDae GMDem N N

(ELPI) (FMPS) (ELPI) (FMPS) (ELPI) (SMPS/DMPS)Pellet burners and boilers 8.1IV 9.5IV 62IV 51IV 0.95a,

1.5–2.7b4.9c

Pellet burner, agriculturalfuels

6.3–8.4IV 10–11IV 58–81IV 52–44IV

Pellet stoves 6.7d, 8.7e 16c

Stoker burners, woodpellets

1.0f, 2.4g

Stoker burners, woodchips

1.7g, 2.1f,6.5h

17c

Wood log boilers 3.8i 11c

Modern masonry heater 5.9I, 8III 7.3III 83III 75III 1.3–3.4f

Conventional masonryheater

3.1I, 3.9II,27–31III

3.9II,12–26III

65II,49–75III

56II,54–76III

24–42h 28c

Wood stoves 17III 9III 53III 66III 2.8–7f 4.0j, 9.9c

Sauna stove 12III, 18I 12III 114III 106III  9.8–17.5h

*From smouldering  combustion  of CMH, N (ELPI) was 1.9 × 1014  # kg­1, N  (FMPS) 1.4 × 1014  # kg­1,GMDae 160 nm and GMDem 118 nm (Paper II). aTissari et al., 2004b; bJohansson et al., 2004;  cGaegaufet  al.,  2001; dTissari et  al.,  2004a; eSippula et  al.,  2007a; fTissari et  al.,  2005a  (values  are  from  singlemeasurements in PIPO project); gTissari et al., 2004b; hTissari et al., 2007 (values are from VTTs PUPOfield measurements);  iTissari et al., 2005b;  jHedberg et al., 2002.

Page 64: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 65: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

APPENDIX I: EMISSION FACTOR TABLES (CONT.)Table 2. Fine particle mass (PM1) and total particle mass (PM) emission factors (g kg­1)

measured in this study (I–IV) and other studies from raw and diluted flue gas.

This study Other ref. Other ref.From diluted gas From diluted gas From hot flue gas

PM1 PM1 Total PMPellet burners and boilers 0.28IV 0.18a 0.2–0.42a,b,c

Pellet/stoker burners,agricultural fuels

0.3–0.5IV 1.48d

Pellet stoves 0.2–0.36e, 1.9–4.0f 1.0b

Stoker burners, woodpellets

0.19g, 0.22h 0.16h, 0.25g

Stoker burners, woodchips

0.24–0.35h,g,i 0.52d, 0.37–0.40h,g,1.3–1.7b,i

Wood log boilers 1.0j 0.5b, 0.4–0.6k,1.7–42m

Modern masonry heater 0.7I,III 0.3–0.5g 1.1–1.2g

Conventional masonryheater

 0.6–1.6III, 0.7I,1.8II

0.7–0.8n, 1.9i,2.5–3.3o

1.7–1.9o, 2.5f, 3b,3.1–9.1i

Wood stoves 0.9III 0.5–1.2g, 2.3–10.2p,4–9q, 8.9–13.9f,

5.1–9.5r, 1.3s

1.3b, 2.7–3.3g

Cookstove 0.9–2.8t 2–5u

Sauna stove 2.7III, 5.0I 2.9i 4.5–10.6i

*From smouldering combustion of the CMH, PM1 was about 10 g kg­1 (Paper II). aTissari et al., 2004b; bGaegaufet al., 2001; cJohansson et al., 2004;  dLaunhardt and Thoma, 2000; eBoman et al., 2005;  fEPA, 1996a (range fromdifferent  stoves); gTissari et  al.,  2005a  (PM1  are  DLPI  values  from  single  measurements); hTissari  et  al.,  2004b;iTissari et al., 2007 (PM1 are DLPI values from VTTs PUPO field measurements); jTissari et al., 2005b;  kJohanssonet  al.,  2004  (modern  boilers); mJohansson et  al.,  2004  (old  boilers); nTissari et  al.,  2007  (PUPO    pilotmeasurements); oTissari et al., 2007 (PUPO health measurements in summer 2006); pHays et al., 2003; qMcdonaldet  al.,  2000  (total  PM  in  dilution  tunnel); rSchauer et  al.,  2001; sHedberg et  al.,  2002;  Jordan  and  Seen,  2005;uVenkataraman and Uma Maweshara Rao, 2001; vOahn et al., 2005.

Page 66: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 67: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

APPENDIX I: EMISSION FACTOR TABLES (CONT.)

Table 3. CO (g kg­1) and OGC (gC kg­1)  emissions factors measured in this study (I–IV) and otherstudies.

           This study*               Other studiesCO OGC CO OGC

Pellet burners and boilers 0.55IV 0.6–2.3a, 0.4b 0.02–0.08a, 0.04c

Pellet burners, agriculturalfuels

1.5–1.6IV

Pellet stove 2.5d, 18–24e

Stoker burners, wood pellets 3.7f, 7.6g

Stoker burners, wood chips 2.3c, 6.0–8.8f,26g

0.1c

Wood log boilers 22h, 10–25i,80–300j

5.5h, 0.3–1.7i,13–90j

Modern masonry heater 14I, 28III 0.4I 15–16g

Conventional masonry heater 22I, 42II,29–68III

2.7I, 2.2II,1.9–6III

67–74k, 15–16m,68e, 29–56n

4.6–6.2k,1.1–1.2m

Wood stove 35III 2.3III 25–47g, 28o,47–105e

Sauna stove 55I, 120III 10I, 13III 65–137n

*From smouldering combustion of  the CMH, CO was 150 g kg­1 and OGC 30 gC kg­1 (Paper II). aJohansson et al.,2004; bTissari et al., 2004b; cLaunhardt and Thoma, 2000; dSippula et al.,  2007a;  eEPA, 1996a (range  from differentstoves); fTissari et  al.,  2004b; gTissari et  al.,  2005a  (values  are  from  single  measurements  in  the  PIPO  project);hTissari et al., 2005b; iJohansson et al., 2004  (modern boilers); jJohansson et al.,  2004  (old boilers); kTissari et al.,2007 (PUPO health measurements in summer 2006); mTissari et al., 2007 (PUPO pilot measurements); nTissari et al.,2007 (VTTs PUPO field measurements); oKoyuncu and Pinar, 2007.

Page 68: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...
Page 69: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

APPENDIX II: CALCULATION OF DR AND EMISSION FACTORS

The  raw  measurement  values  were  firstdilution corrected. The DR was calculated on thebasis  of  the  concentrations  of  CO2  (dry)  in  rawand diluted exhaust gas with the equation

BG,2D,2

BG,2FG,2

COCOCOCO

DR−

−= ,                       (1)

where  CO2,D  is  the  CO2  concentration  in    thediluted gas (CO2­sensor: Sensorex Ltd., SensorexSX500D  IR  sensor,  or  Cemas  Gas  AnalyzingRack,  ABB  Ltd.),  CO2,FG  is  the  CO2concentration  in  the  raw  flue  gas  and  CO2,BG  isthe CO2 concentration in the background dilutionair.  In Paper  I  the  DR  was  calculated  by  themethod described in Sippula et al., 2007a.

The  dilution  was  corrected  with  statecorrection and the normalised concentration cn isthen

Ts

on TV

DRCTc+

×==15.273

15.273)0( ,        (2)

where V  is  the  volume  of  the  sample  in  itsconditions and Ts is the sample temperature.

The  nominal  emission  values  (qe)  werecalculated  in  relation  to  energy  input  to  thecombustion process  (SFS 5624, 1990) accordingto the equation (3)

sne Qkcq ×××= λ .                       (3)

The air­to­fuel ratio  is

29.209.20O−

=λ ,                       (4)

where O2  is  the  flue  gas  oxygen  concentration(dry).  According  to  SFS  5624,  fuel  moisturefactor k is

wu

u

HHHk−

=                                           (5)

where Hu is the net heating value of dry fuel, andHw,  the  amount  of  heat  consumed  in  waterevaporation. Hw is determined

vv

vvvw llwH ×

−=×=

γγ

1,                         (6)

where wv  is  the  mass  ratio  of  water  and  drysubstance, lv  is  the  evaporation  heat  of  water(2.50 MJ/kg in 0 °C) and  v  is  the mass ratio ofwater  and wet  fuel.  In  addition,  factor Qs  is  thedry volume of the flue gas per energy unit formedin  the combustion of dry  fuel. Os  is  (almost) thesame for all the solid fuels and therefore a factorof 0.25 m3 MJ­1 was used in all experiments.

The  emission  factor  in  relation  to  theamount of  fuel used in units of g  fuel kg­1 (dry),qm, was defined by equation (7)

uem Hqq ×= .                      (7)

In  biomass  combustion  studies,  theconcentration  results  are  presented  also  asnormalized  to  10%  (continuous  combustionappliances)  or  13%  (batch  combustionappliances)  oxygen  in  the  dry  flue  gas.  In  thesecases, cn was multiplied by a factor r, that is

2

,2

96.2096.20

OO

r n

−−

= ,                       (8)

where O2  is  the  flue  gas  oxygen  concentration(dry), O2,n is normalized O2 (e.g. 10 or 13%) and20.96 is the air oxygen concentration.

Page 70: JARKKO TISSARI Fine Particle Emissions from Residential ...

Kuopio University Publications C. Natural and Environmental Sciences C 213. Georgiadis, Stefanos. State-Space Modeling and Bayesian Methods for Evoked Potential Estimation. 2007. 179 p. Acad. Diss. C 214. Sierpowska, Joanna. Electrical and dielectric characterization of trabecular bone quality. 2007. 92 p. Acad. Diss. C 215. Koivunen, Jari. Effects of conventional treatment, tertiary treatment and disinfection processes on hygienic and physico-chemical quality of municipal wastewaters. 2007. 80 p. Acad. Diss. C 216. Lammentausta, Eveliina. Structural and mechanical characterization of articular cartilage and trabecular bone with quantitative NMR . 2007. 89 p. Acad. Diss. C 217. Veijalainen, Anna-Maria. Sustainable organic waste management in tree-seedling production. 2007. 114 p. Acad. Diss. C 218. Madetoja, Elina. Novel process line approach for model-based optimization in papermaking. 2007. 125 p. Acad. Diss. C 219. Hyttinen, Marko. Formation of organic compounds and subsequent emissions from ventilation filters. 2007. 80 p. Acad. Diss. C 220. Plumed-Ferrer, Carmen. Lactobacillus plantarum: from application to protein expression. 2007. 60 p. Acad. Diss. C 221. Saavalainen, Katri. Evaluation of the mechanisms of gene regulation on the chromatin level at the example of human hyaluronan synthase 2 and cyclin C genes. 2007. 102 p. Acad. Diss. C 222. Koponen, Hannu T. Production of nitrous oxide (N2O) and nitric oxide (NO) in boreal agricultural soils at low temperature. 2007. 102 p. Acad. Diss. C 223. Korkea-aho, Tiina. Epidermal papillomatosis in roach (Rutilus rutilus) as an indicator of environmental stressors. 2007. 53 p. Acad. Diss. C 224. Räisänen, Jouni. Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy for monitoring of solvent emission rates from industrial processes. 2007. 75 p. Acad. Diss. C 225. Nissinen, Anne. Towards ecological control of carrot psyllid (Trioza apicalis). 2008. 128 p. Acad. Diss. C 226. Huttunen, Janne. Approximation and modellingerrors in nonstationary inverse problems. 2008. 56 p. Acad. Diss. C 227. Freiwald, Vera. Does elevated ozone predispose northern deciduous tree species to abiotic and biotic stresses? 2008. 109 p. Acad. Diss.