空気拡散モデリングに役立つ変換と公式

環境保護および労働安全衛生に関わる様々な政府機関は、大気中または大気への排出物中のガス状汚染物質の許容濃度を制限する規制を公布している。これらの規制では、濃度の表現方法が多様である。濃度をppmvで表すものもあれば、mg/m 3で表すものもあり、水分含有量、酸素含有量、二酸化炭素含有量などの基準条件に合わせて濃度を調整または補正することを求めるものもある。本稿では、大気汚染物質の大気拡散モデル化と、そのモデル化によって得られた濃度の表現方法に関する様々な規制への準拠に役立つ一連の変換式と公式を紹介する。[ 1 ]

大気汚染物質濃度の変換

変換式は、変換したい温度（通常は約20～25 ℃）によって異なります。周囲気圧が1気圧（101.325 kPa）の場合、一般的な式は以下のようになります。

ppメートルv＝メートルグラム/メートル3⋅（0.08205⋅T）M{\displaystyle \mathrm {ppmv} =\mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}\cdot {\frac {(0.08205\cdot T)}{M}}}

逆変換の場合：

メートルグラム/メートル3＝ppメートルv⋅M（0.08205⋅T）{\displaystyle \mathrm {mg} /\mathrm {m} ^{3}=\mathrm {ppmv} \cdot {\frac {M}{(0.08205\cdot T)}}}
どこ：  
ppmv = 大気汚染物質濃度（体積 百万分率）
mg/m 3= 空気1立方メートルあたりの汚染物質のミリグラム数
T{\displaystyle T}=ケルビンでの大気温度= 273.15 + °C
0.08205 = 普遍気体法則定数（atm·l/(mol·K)）
M{\displaystyle M}=大気汚染物質の 分子量（無次元）

注:

  • 米国の汚染規制では、前述の通り、汚染物質の制限値は通常、周囲温度20～25℃を基準としています。他の多くの国では、汚染物質の制限値の基準となる周囲温度は0℃など、他の値となる場合があります。
  • 1 体積パーセント = 10,000 ppmv (つまり、体積百万分の一)。
  • atm = 絶対大気圧（大気圧）
  • モル =グラムモル

高度による濃度補正

海面での大気の単位体積あたりの質量（例：mg/m 3、μg/m 3など）として表される大気汚染物質の濃度は、高度の上昇とともに大気圧が低下するため、高度の上昇とともに低下します。

高度による大気圧の変化は次の式から得られる：[ 2 ]

P1つの＝0.98771つの{\displaystyle P_{a}=0.9877^{a}}

大気圧 1 気圧 (つまり海面高度) における大気汚染物質の濃度が与えられている場合、他の高度における濃度は次の式から得られます。

C1つの＝C⋅0.98771つの{\displaystyle C_{a}=C\cdot 0.9877^{a}}
どこ：  
1つの{\displaystyle a}= 高度（数百メートル）
P{\displaystyle P}= 高度における大気圧（気圧） 1つの{\displaystyle a}
C{\displaystyle C}= 海面高度における濃度（単位体積あたりの質量）
C1つの{\displaystyle C_{a}}= 高度における濃度（単位体積あたりの質量） 1つの{\displaystyle a}

たとえば、海面での濃度が 260 mg/m 3の場合、高度 1,800 メートルでの同等の濃度を計算します。

C a = 260 × 0.9877 18 = 208 mg/m 3高度1,800メートル

ガス量の標準条件

標準立方メートル(Nm 3 ) は、標準条件におけるガス体積のメートル法表現であり、通常は (常にではありませんが) 0 °C および 1 気圧で測定されるように定義されます。

標準立方フィート（scf）は、米国における標準状態における気体の体積を表す単位であり、多くの場合（ただし必ずしもそうとは限りませんが）、60°F（約15℃）および1気圧で測定されると定義されています。米国では、60°F（約15℃）および1気圧以外にも、標準気体状態の定義が用いられています。

理解されているとおり:

任意のガス1 Nm 3 (0 °C、絶対圧 1 気圧で測定) は、そのガス 37.326 scf (60 °F、絶対圧 1 気圧で測定) に相当します。

1 kmol の理想気体は、0 °C および 1 気圧の絶対圧におけるその気体の 22.414 Nm 3に相当します。また、1 lbmol の理想気体は、60 °F および 1 気圧の絶対圧におけるその気体の 379.482 scf に相当します。

注:

風速変換係数

気象データには風速が含まれており、法定マイル/時、ノット、メートル/秒で表されます。風速の様々な表現における変換係数は以下のとおりです。

1 m/s = 2.237 法定マイル/時 = 1.944 ノット1 ノット = 1.151 法定マイル/時 = 0.514 m/s 1 法定マイル/時 = 0.869 ノット = 0.447 m/s

注記：

  • 1法定マイル = 5,280フィート = 1,609メートル

基準条件の補正

多くの環境保護機関は、ガス状排出物中の汚染物質濃度を制限し、それらの濃度制限に適用される基準条件を定義する規制を制定しています。例えば、このような規制では、乾燥燃焼排ガス中のNOx濃度を、酸素濃度3体積パーセントに補正した状態で55 ppmvに制限することが考えられます。また、粒子状物質の濃度を、乾燥排ガス中のCO2濃度12体積パーセントに補正した状態で、標準立方フィート（scf）あたり0.1グレインに制限することが考えられます。

米国の環境機関は、乾燥ガスの標準立方フィートを「dscf」または「scfd」と表記することがよくあります。同様に、乾燥ガスの標準立方メートルも「dscm」または「scmd」と表記されることがよくあります（これも米国の環境機関による表記です）。

乾燥ベースに補正

ガス状排出サンプルを分析し、水蒸気と例えば40 ppmvの汚染物質濃度が含まれていることが判明した場合、40 ppmvを「湿潤基準」の汚染物質濃度と定義します。測定された「湿潤基準」濃度を「乾燥基準」濃度に補正するには、以下の式を使用することができます。[ 3 ]

dryb1つのs私sconcentr1つのt私on＝（わetb1つのs私sconcentr1つのt私on）/（1−わ）{\displaystyle 乾燥基準濃度=(湿潤基準濃度)/(1-w)}
どこ：  
わ{\displaystyle w}= 排出された排気ガスのうち水蒸気である体積の割合

したがって、10 体積パーセントの水蒸気を含むガス中の湿潤基準濃度が 40 ppmv の場合、乾湿基準濃度は 40 ÷ (1 - 0.10) = 44.44 ppmv となります。

基準酸素含有量への補正

次の式は、測定されたO2含有量を含む排出ガス中の測定された汚染物質濃度を、指定された基準量のO2を含む排出ガス中の同等の汚染物質濃度に補正するために使用することができる：[ 4 ]

Cr＝Cメートル⋅（20.9−r）（20.9−メートル）{\displaystyle C_{r}=C_{m}\cdot {\frac {(20.9-r)}{(20.9-m)}}}
どこ：  
Cr{\displaystyle C_{r}}= 指定された基準体積％O 2を有する乾燥ガス中の補正濃度=r{\displaystyle r}
Cメートル{\displaystyle C_{m}}= 測定された体積％O 2の乾燥ガス中の測定された濃度=メートル{\displaystyle m}

したがって、5体積%のO2を含むガス中の測定されたNO x濃度45 ppmv（乾燥基準）は、指定された基準O2含有量3体積%のガスに補正すると、45 ×（20.9 - 3）÷（20.9 - 5）= 50.7 ppmv（乾燥基準）のNO xになります。

基準二酸化炭素含有量への補正

次の式は、測定されたCO2含有量を含む排出ガス中の測定された汚染物質濃度を、指定された基準量のCO2を含む排出ガス中の同等の汚染物質濃度に補正するために使用することができる：[ 5 ]

Cr＝Cメートル⋅rメートル{\displaystyle C_{r}=C_{m}\cdot {\frac {r}{m}}}
どこ：  
Cr{\displaystyle C_{r}}= 指定された基準体積％CO 2を有する乾燥ガス中の補正濃度=r{\displaystyle r}
Cメートル{\displaystyle C_{m}}= 測定された体積％CO 2の乾燥ガス中の測定された濃度=メートル{\displaystyle m}

したがって、8 体積 % のCO2を含むガス中の測定された粒子濃度は 1 dscf あたり 0.1 グレインであり、指定された参照CO2含有量が 12 体積 % の ガスに補正すると、0.1 × ( 12 ÷ 8 ) = 0.15 グレイン / dscf になります。

注:

  • 上記の例では ppmv と 1 dscf あたりのグレインが使用されていますが、ppbv (つまり、10 億分の 1 体積)、体積パーセント、1 dscm あたりのグラムなどの濃度も使用できます。
  • 1 体積パーセント = 10,000 ppmv (つまり、体積百万分の一)。
  • ppbv で表された濃度については、英国の 10 億 (10 12 )と米国の 10 億 (10 9 )を区別するために注意する必要があります。

参照

参考文献

  1. ^空気拡散モデリングの変換と公式
  2. ^ Beychok, Milton R. (2005). 『煙道ガス拡散の基礎』（第4版）著者出版. ISBN 0-9644588-0-2。
  3. ^ 40 米国連邦規則集、第 I 章、パート 60、付録 A-3、試験方法 4。
  4. ^ 40 米国連邦規則集、第 I 章、パート 60、付録 B、性能仕様 2。
  5. ^ 40 米国連邦規則集、第 I 章、第 60 部。
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