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Reducing particulate matter emissions from residential wood burning stoves by electrostatic precipitation : a CFD modeling study

Moody, Gary Paul (2010). Reducing particulate matter emissions from residential wood burning stoves by electrostatic precipitation : a CFD modeling study. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Emissions of PM2.5 from residential fuel wood heating appliances are a major source of winter air pollution in many parts of North America and northern Europe. This pollution has been linked to respiratory health problems. One possible method of reducing these emissions is via an electrostatic precipitator (ESP) installed at the top of the flue pipe of the appliance. This study investigated the hypothesis that such a device can operate efficiently and contribute to a significant reduction in PM2.5 emissions from fuel wood combustion. A 2-D axisymmetric numerical model of an ESP was created and simulated using commercial computational fluid dynamics software. The model and simulation procedure included several enhancements over similar studies found in the literature such as: the use of a polydisperse particle distribution, the use of a partially developed gas flow velocity profile and the use of a sum-of-charges particle charging model that includes diffusion and field charging mechanisms. The simulation technique was validated using experimental data and provided collection efficiency values within 5% of the experimental values. A reference model based on the dimensions of a standard flue pipe (diameter of 0,15 m) was simulated and found to have an overall collection efficiency of 75%. Based on these results, the emissions of PM2.5 from residential fuel wood combustion in Quebec province could be reduced by 64% in one scenario. Several safety and operational issues need to be resolved before such a device can be launched commercially.

Titre traduit

Réduction des émissions de particules fines provenant des poêles à bois par moyen de précipitation électrostatique: une modélisation numérique

Résumé traduit

Les émissions de matière particulaire fine (MP2.5) provenant des poêles à bois résidentiels sont une source majeure de pollution atmosphérique en Amérique du nord et en Europe du nord en hiver. Cette pollution a été liée à de nombreux problèmes de santé respiratoires. Nous pouvons réduire ces émissions par l’utilisation d’un précipitateur électrostatique (PES) à la sortie du tuyau d’échappement des gaz de combustion. Cette étude avait comme hypothèse qu’un tel dispositif pouvait opérer de façon efficace et ainsi contribuer à une réduction substantielle des émissions de particules fines provenant du secteur de chauffage au bois résidentiel. Un modèle numérique en 2-D d’un PES a été crée et simulé avec un logiciel commercial de mécanique des fluides numériques. Le modèle et le procédé comportaient plusieurs améliorations par rapport aux modèles trouvés dans la littérature, dont : l'utilisation d’une distribution de particules polydispersées, l’utilisation d’un écoulement semi-établi à l’admission des gaz et l’utilisation d’un modèle de chargement des particules qui tient compte des chargements par diffusion et par champs. La technique a été validée par des données expérimentales, et les valeurs de rendement correspondaient avec moins de 5% d’écart aux valeurs expérimentales. Un modèle de référence basé sur les dimensions d’un tuyau d’échappement standard de 0,15 m de diamètre a été simulé et le rendement global était de 75%. L’utilisation répandue de ce dispositif pourrait mener à une réduction de 64% des émissions de MP2.5 provenant du secteur de chauffage au bois résidentiel au Québec. Il y a plusieurs défis opérationnels et de sécurité qui doivent être surmontés avant de pouvoir commercialiser un tel dispositif.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree in environmental engineering." Bibliogr. : f. [114]-118.
Mots-clés libres: Poêles à bois. Polluants atmosphériques. Précipitation électrostatique. Modèles mathématiques. Mécanique des fluides. Fin, Matière, Mp2.5, Numérique, Particulaire, Particule, modélisation.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Hausler, Robert
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 28 mars 2011 15:05
Dernière modification: 08 févr. 2017 00:57
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/654

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