Développement d'un modèle de simulation des émissions polluantes gazeuses et particulaires des appareils de chauffage domestique au bois

Development of a Simulation Model for Gaseous and Particulate Pollutant Emissions from Domestic Wood Heating Appliances

• Auteur / Autrice : Joseph Darido
• Direction : Frédérique Battin-Leclerc, Roda Bounaceur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés, des produits et des molécules
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Valérie Tschamber
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédérique Battin-Leclerc, Roda Bounaceur, Jaona Harifidy Randrianalisoa, María Alzueta, Manon Vitel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valérie Tschamber, Jaona Harifidy Randrianalisoa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Combustion

Réacteurs chimiques

Réactions chimiques

Polluants atmosphériques

Simulation par ordinateur

Chauffage au bois

Habitations -- Chauffage et ventilation

Mots clés libres

Modélisation

Combustion

Appareils de chauffage domestique au bois

Émissions de polluants

Chimie détaillée

Réseau de réacteurs idéaux

Modeling

Combustion

Domestic fireplace

Pollutant emissions

Detailed chemistry

Ideal reactors

Résumé

Les défis posés par le changement climatique et la surexploitation des réserves de combustibles fossiles ont poussé la recherche à se tourner vers le développement de méthodes propres et durables pour la production d'énergie à partir de ressources renouvelables. Parmi ces ressources, la biomasse, et en particulier le bois, joue un rôle essentiel, du fait que son processus de combustion contribue de manière significative à la production d'énergie. Cependant, une mauvaise maîtrise de la combustion du bois peut être considérée comme une source importante de pollution atmosphérique, émettant des polluants gazeux nocifs tels que le monoxyde de carbone (CO), les oxydes d'azote (NOX), les Composés Organiques Volatils (COVs) et les Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (PAHs), ainsi que des particules solides, incluant les particules fines (PM) telles que les suies. Ce travail est une initiative visant à développer une nouvelle méthode pour simuler les émissions des appareils de chauffage domestique au bois, afin de mieux comprendre l'influence de divers paramètres dans le but de réduire ces émissions nocives et d'améliorer l'efficacité du processus de combustion du bois. Cette méthode comprend une version améliorée d'un mécanisme cinétique détaillé précédemment développé, qui sera couplée à un réseau de réacteurs équivalents (ERN) pour modéliser la phase gazeuse du processus de combustion du bois à l'intérieur d'un insert. Par la suite, une étude de dynamique des fluides numérique (CFD) de ce processus est présentée, et les résultats sont utilisés pour construire un nouvel ERN capable de simuler à la fois les émissions des phases gazeuses et solides. Le mécanisme cinétique est ensuite amélioré en utilisant un sous-mécanisme de la formation des suies de la littérature et est couplé au nouvel ERN. Les premiers résultats obtenus à partir de ce modèle final sont cohérents avec les données expérimentales pour la majorité des polluants.

The challenges posed by global climate change, and the overexploitation of fossil fuel reserves have driven research towards the development of cleaner and more sustainable strategies for energy production from renewable resources. Among these resources, biomass, and particularly wood, play an important role, as its combustion process is a significant contributor to energy production. However, when poorly controlled, the combustion of wood can be considered as a significant source of atmospheric pollution, emitting harmful gaseous pollutants such as carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOX), volatile organic compounds (VOCs), and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), as well as solid particles, including fine particulate matter (PM) such as soot. This work is an initiative in developing a new method to simulate the output of domestic wood heating appliances, in order to better understand the influence of various parameters with the purpose of reducing these harmful emissions and enhancing the efficiency of the process of wood burning. This method includes an upgraded version of a previously developed detailed kinetic mechanism which will be coupled with an Equivalent Reactor Network (ERN) to model the gas phase of the process of wood burning inside an inset. Subsequently, a Computational Fluid Dynamics (CFD) study of this process is then presented, and the results are used to build a new ERN capable of simulating both the gas and solid-phase processes and emissions. The kinetic mechanism is then upgraded using a soot sub-mechanism from literature and is coupled with the new ERN. The first results obtained from this final model align with experimental data for the majority of pollutants.