VDI 3783 Blatt 19-2017 Environmental meteorology - Reaction mechanism for the determination of the nitrogen dioxide concentration.pdf

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1、ICS 13.040.01 VDI-RICHTLINIEN April 2017 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Umweltmeteorologie Reaktionsmechanismus zur Bestimmung der Stickstoffdioxid-Konzentration Environmental meteorology Reaction mechanism for the determination of the nitrogen dioxide concentration VDI 3783 Blatt 19 / Part 19 Ausg. de

2、utsch/englisch Issue German/English Der Entwurf dieser Richtlinie wurde mit Ankndigung im Bundesanzeiger einem ffentlichen Einspruchsverfahren unterworfen. Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The draft of this standard has been subject to public scrutiny after announcement in the

3、 Bundesanzeiger (Federal Gazette). The German version of this standard shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/DIN-Kommission Reinhaltung der Luft (KRdL) Normenausschuss Fachbereich Umweltmeteorologie VDI/DIN-Handbuch Reinhaltung der L

4、uft, Band 1b: Umweltmeteorologie Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgabe:08.15Entwurf, deutschFormeredition:08/15Draft,inGerman onlyZu beziehen durch/AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten/All righ

5、tsreservedVereinDeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2017Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen und Abkrzungen . 5 5 Chemischer Reaktionsmechanismus . 6 5.1 Einfacher Ansatz M1 . 6 5.2 Erweiterter Reaktionsme

6、chanismus M2 7 5.3 Einfluss des Transports 9 5.4 Wahl des Reaktionsmechanismus 9 5.5 Fotolysefrequenzen 11 5.6 Gte des Mechanismus 12 6 Eingangsgren 16 6.1 Fotolysefrequenzen 16 6.2 Geschwindigkeitskonstanten 18 6.3 Konzentrationsbereich der Reaktanden 18 6.4 Meteorologische Parameter 19 Anhang A Be

7、rechnung der charakteristischen Zeiten 20 Anhang B Rechenbeispiel Straenschlucht 23 Schrifttum 30 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols and abbreviations . 5 5 Chemical reaction mechanism 6 5.1 Simplified approach M1 6 5.2 Exte

8、nded reaction mechanism M2 . 7 5.3 Effect of transport 9 5.4 Choice of reaction mechanism . 9 5.5 Photolysis frequencies . 11 5.6 The mechanisms quality . 12 6 Input variables 16 6.1 Photolysis frequencies . 16 6.2 Rate constants 18 6.3 Concentration range of the reactants 18 6.4 Meteorological para

9、meters 19 Annex A Calculating the characteristic times 20 Annex B Calculation example street canyon . 23 Bibliography 30 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 2 VDI 3783 Blatt 19 / Part 19 Alle Rechte

10、 vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung,

11、 jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtli

12、nie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3783. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 100

13、0. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-dit

14、ions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this series of standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/3783. Einleitung Bei Verbrennungsvorgngen fossiler

15、Brennstoffe, z. B. in Motoren von Kraftfahrzeugen oder in Gro-feuerungsanlagen, entstehen auch die lufthygie-nisch relevanten Gase Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), und zwar in unterschiedli-chen Emissionsraten, die von der Art des Verbren-nungsprozesses abhngen. In der Atmosphre un

16、-terliegen NO und NO2chemischen Reaktionen, die von der meteorologischen Situation und der Spu-rengaszusammensetzung der Umgebungsluft ab-hngig sind. Die wichtigsten Prozesse sind die Spaltung von NO2durch die Strahlung von der Sonne (h) unter Bildung von NO (Reaktion (R1) und die Oxidation des NO d

17、urch Ozon (O3) zu NO2(Reaktion (R3). Das dabei verbrauchte Ozon wird ber die Reaktion (R2) aus dem Sauerstoffatom im elektronischen Grundzustand (O(3P) und moleku-larem Sauerstoff (O2) zurckgebildet. Die Bil-dungsenergie der Reaktion (R2) wird durch die Luftmolekle M abgefhrt. NO2+ h O(3P) + NO (R1)

18、 O(3P) + O2+ M O3+ M (R2) O3+ NO NO2+ O2(R3) In der Richtlinie wird ein erweitertes Reaktionssys-tem beschrieben, mit dem die Chemie der Stick-stoffoxide hinreichend genau erfasst ist, um im Rahmen eines Chemie- und Transportmodells eine quantitative Immissionsprognose zu ermglichen. Unter Verwendun

19、g eines Lebensdauerkonzepts werden Mglichkeiten der Vereinfachung des vor-gelegten Reaktionsmechanismus angegeben, die vom jeweiligen Anwendungszweck abhngen. Introduction The combustion of fossil fuels, e.g. in the engines of vehicles or in large-scale combustion plants, produces nitrogen monoxide

20、(NO) and nitrogen dioxide (NO2), gases that are significant for air quality, with variable emission rates that depend on the type of the combustion process. In the atmos-phere, NO and NO2undergo chemical reactions that depend on meteorological conditions and on the trace gas composition of the ambie

21、nt air. The most important processes are the decomposition of NO2molecules through the effect of solar radiation (h), with the formation of NO (Reaction (R1) and the oxidation of NO by ozone (O3) to NO2(Reaction (R3). The consumed ozone is recycled via Reaction (R2), from an oxygen atom in the elect

22、ronic ground state (O(3P) and molecular oxy-gen (O2). The formation energy of Reaction (R2) is dissipated via the air molecule M. NO2+ h O(3P) + NO (R1) O(3P) + O2+ M O3+ M (R2) O3+ NO NO2+ O2(R3) This standard describes an extended reaction sys-tem which accounts for the chemistry of nitrogen oxide

23、s with sufficient accuracy, in order to allow a quantitative immission forecast as part of a chemis-try and transport model. Using a lifetime concept, it offers options for simplifying the proposed reac-tion mechanism for particular applications. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C46

24、1B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 VDI 3783 Blatt 19 / Part 19 3 In Anhang B wird anhand von Beispielen gezeigt, wie vorzugehen ist, um einen fr den jeweiligen Anwendungsfall relevan

25、ten Reaktionsmechanis-mus zu erhalten. Annex B shows, with examples, how to proceed in order to obtain a reaction mechanism that is rele-vant in a given case. 1 Anwendungsbereich Einige gesetzliche Regelungen (z. B. 2008/50/EG; BImSchG; 39. BImSchV; TA Luft) erfordern die Berechnung der NO2-Konzentr

26、ation, die sich unter Einfluss lokaler NO- und NO2-Emissionen auf Entfernungen von einigen Metern bis zu wenigen Kilometern einstellt. Fr solche Aufgabenstellun-gen wird in der vorliegenden Richtlinie ein Reak-tionssystem beschrieben, mit dem die NO2-Konzentration berechnet werden kann. Dieses Re-ak

27、tionssystem wurde aus einem komplexeren Sys-tem RACM (Regional Atmospheric Chemistry Model) 1 mit dem Ziel reduziert, ein mglichst einfaches, aber ausreichend genaues Verfahren zur Berechnung der NO2-Konzentration zur Verfgung zu stellen. Im Rahmen numerischer Transportmo-delle angewendete Chemiemod

28、ule zur Berechnung der NO2-Konzentration sollten wenigstens dem vorgestellten Reaktionsmechanismus gengen. Das beschriebene System der chemischen Um-wandlungen ist so ausgelegt, dass es fr die Be-stimmung der NO2-Belastung durch Abgasfahnen von Feuerungsanlagen (auch Grofeuerungsanla-gen, siehe VDI

29、3783 Blatt 13) genauso verwendet werden kann wie fr die Berechnung der NO2-Konzentration, die durch Kraftfahrzeugverkehr in Straenschluchten und auf Autobahnen (VDI 3783 Blatt 14) hervorgerufen wird. Damit eignet es sich zur Bewertung von Manah-men zur Verminderung der Stickstoffoxidbelastung mit de

30、m Ziel der Einhaltung gesetzlicher Regelun-gen. Ein Beispiel zur Anwendung im Straenbereich, z. B. Straenschluchten und Autobahnen, ist in Anhang B dieser Richtlinie aufgefhrt. Die An-wendung auf Abgasfahnen aus Industrieanlagen wird in einem Folgeblatt behandelt. 1 Scope Several statutory provision

31、s (e.g. 2008/50/EC; BImSchG (German Federal Immission Control Act); 39. BImSchV (39thGerman Federal Immis-sion Control Ordinance); TA Luft) require a calcu-lation of the NO2concentration that arises under the effect of local NO and NO2emissions at dis-tances ranging from a few metres to a few kilome

32、-tres. For such tasks, this standard describes a reac-tion system with which the NO2concentration can be calculated. This reaction system was reduced from the more complex RACM (Regional Atmos-pheric Chemistry Model) system 1, with the ob-jective of providing a method for calculating NO2concentratio

33、ns that is as simple as possible but sufficiently accurate. Chemistry modules for calcu-lating NO2concentrations as part of numerical transport models, should at least be compatible with the presented reaction mechanism. The described system of chemical transformations is so designed, that it can be

34、 used for determining NO2pollution resulting from exhaust gas plumes of combustion plants (including large-scale ones, see VDI 3783 Part 13) just as it can be used for calculating the NO2concentration caused by ve-hicular traffic in street canyons and on motorways (VDI 3783 Part 14). It is suitable,

35、 therefore, for evaluating procedures for reducing nitrogen oxide pollution with the aim of complying with statutory provisions. An example of an application in the road sector, e.g. street canyons and motorways, is shown in Annex B of this standard. The application to ex-haust gas plumes from indus

36、trial plants will be covered in a later part of this series. 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI 3783 Blatt 18:2017-04 Umweltmeteorologie; Fotolysefrequenzen fr Berechnungen von Schadstoffkonzentrationen in der Troposphre 2 No

37、rmative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this standard: VDI 3783 Part 18:2017-04 Environmental meteor-ology; Photolysis frequencies for calculating pollutant concentrations in the troposphere 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten di

38、e folgenden Begriffe: 3 Terms and definitions For the purposes of this standard, the following terms and definitions apply: B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 4 VDI 3783 Blatt 19 / Part 19 Alle Rec

39、hte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Anzahlkonzentration Anzahl der Molekle einer Substanz X (z. B. eines Gases) in einem gegebenen Volumen Anmerkung: In der Gasphasenchemie wird blicherweise die Zahl der Molekle pro Kubikzentimeter (cm3) angegeben. charakteristische Zeit

40、 Kehrwert der auf die Konzentration der unter-suchten Substanz bezogenen Reaktions geschwin-digkeit Anmerkung: Kann die zeitliche nderung der Konzen-tration durch eine Exponentialfunktion beschrieben werden, ist die charakteristische Zeit zeitlich konstant, im Regelfall wird sie auf den Anfangszusta

41、nd des Reaktionssystems bezogen. Geschwindigkeitskonstante Proportionalittsfaktor zwischen Konzentration oder Konzentrationsprodukt und der nderung der Konzentration eines Reaktanden mit der Zeit Anmerkung: Fr Reaktionen zwischen zwei Moleklen ist die Geschwindigkeitskonstante nur abhngig von der Te

42、mpe-ratur. Dagegen knnen komplexe Reaktionen druck- und temperaturabhngig sein, z. B. Reaktionen 3. Ordnung (termo-lekulare Reaktionen), wobei in der Atmosphre der Reak-tionspartner Stickstoff oder Sauerstoff ist. Konzentration Menge (Masse oder Teilchenanzahl) einer Sub-stanz X je Volumeneinheit Le

43、bensdauer Zeit der Abreaktion bis auf den e-ten Teil der Aus-gangskonzentration Anmerkung: Die reziproke Lebensdauer ist die Abbauge-schwindigkeit einer Substanz dividiert durch ihre Konzentration. Mischungsverhltnis (Volumenmischungsverhlt-nis) in ppmv oder ppbv Anzahl der Molekle pro Anzahl der Lu

44、ftmolekle Anmerkung: Gebruchliche Einheiten sind ppmv (Parts per Million by Volume = 106), ppbv (Parts per Billion by Volu-me = 109). quasistationrer Zustand Zustand, bei dem sich auf der vorgegebenen Zeit-skala fr Substanzen mit vergleichsweise kurzer Lebensdauer nahezu stationre Konzentrationen ei

45、nstellen, die sich aus der dann nherungsweise erfllten Bedingung gleicher Bildungs- und Ab-baugeschwindigkeiten ergeben Anmerkung 1: Bei der Berechnung von Konzentrationen geht die chemische Bilanzgleichung fr die quasistationre Substanz X wegen dX/dt = 0 in eine algebraische Gleichung ber, die in d

46、er Regel numerisch einfach zu behandeln ist. Anmerkung 2: Chemische Reaktionssysteme sind in der Regel durch Prozesse gekennzeichnet, die auf unterschiedli-chen Zeitskalen ablaufen, die mit der Lebensdauer der Sub-stanzen zusammenhngen. nderungen sind auf einer lngeren Zeitskala mglich, z. B. durch

47、nderungen der Konzen-tration von lngerlebigen Reaktionspartnern. numerical concentration number of molecules of a substance X (e.g. a gas) in a given volume Note: In gas phase chemistry usually the number of molecules per cubic centimetre (cm3) is quoted. characteristic time reciprocal of the reacti

48、on rate based on the concentration of the investigated substance Note: If the temporal change in the concentration can be described by an exponential function, then the characteristic time is constant over time; in the usual case, it is based on the initial state of the reaction system. rate constan

49、t proportionality factor between concentration or concentration product and the change in the concentration of a reactant over time Note: For reactions between two molecules, the rate constant depends only on the temperature. In contrast, complex reac-tions may depend on the pressure and temperature, e.g. 3rd-order reactions (termolecular reactions), with the reaction partner in the atmosphere being nitrogen or oxygen. concentration qua