Le charbon

Le « charbon » est un terme générique désignant un ensemble de combustibles solides de compositions et de pouvoir calorifiques très variés. Ces combustibles ont en commun une origine végétale et quatre composants en proportion variable : une matière carbonée, de l’eau, des gaz et une phase pierreuse.
 

Le charbon a été le combustible quasi unique de la révolution industrielle du I9ème siècle avec le développement du moteur à vapeur et l’accroissement des besoins de l’industrie sidérurgique. Depuis, le pétrole puis le nucléaire et le gaz sont venus compléter l’arsenal énergétique disponible et, aujourd’hui le charbon ne représente plus que 25 % de l’approvisionnement en énergie primaire de la planète.
 

La production de charbon mondiale est de 3,5 milliards de tonnes auxquelles s’ajoutent 900 millions de tonne de lignite. 50% du charbon produit sert à la production d’électricité, 16 % à la sidérurgie, 5 % aux cimenteries. Le solde, 29 %, au chauffage et aux autres industries, dont la carbochimie.

Les réserves sont considérables, de l‘ordre de 1000 milliards de tonnes, soit 250 ans de consommation au rythme actuel, mais leur exploitation future pourrait être fortement concurrencée par l’existence d’autres sources d ‘énergie moins gourmandes en main d’œuvre et donc peut être moins onéreuses à terme, ainsi que par les limites imposées aux émissions de gaz à effet de serre.

Il reste que le charbon semble demeurer irremplaçable pour certaines de ses applications, pour la réduction du minerai de fer en haut-fourneaux ou la carbochimie par exemple. Le charbon reste le premier producteur d’électricité malgré le handicap constitué par une teneur en hydrogène de 4 % inférieure à celui des produits pétroliers, qui a pour conséquence une émission de CO² plus importante pour un même pouvoir calorifique. Des solutions existent, et sont progressivement mise en œuvre, pour réduire de façon très significative les rejets polluants.

Origine du charbon

Le charbon provient de l ’accumulation de matière végétale de nature variable : fougères arborescentes de la forêt houillère, spores, mangroves, algues, déposée sur place (bassins autochtones) ou après transport (bassins allochtones). Ces bassins sont soit des zones marécageuses (tourbières actuelles), soit des lacs, soit des zones deltaïques, qui se sont enfoncés régulièrement, permettant à la forêt de continuer à prospérer sur de longues périodes.

Les sédiments ont été enfouis jusqu ’à des profondeurs variables de quelques 100 m pour les lignites, jusqu ’à plusieurs kilomètres pour les anthracites. Durant cet enfouissement le carbone organique s ’est transformé en carbone minéral par action des micro-organismes (carbonatation), l ’eau a été expulsée en forte proportion et la roche s’est indurée.

Composition - Les Minéraux

Les minéraux sont des morceaux de roches, de tailles diverses, sédimentés en même temps que la matière organique. Ce sont des silico-aluminates : grés, schistes, tufs volcaniques etc.…Après combustion ces minéraux constituent les cendres et les scories. L’analyse des cendres révèle des éléments majeurs (silice, aluminium, calcium) et des éléments en trace : soufre, chlore, fluor, sodium ou phosphore, substances qui font l’objet de limites dans les spécifications contractuelles en raison de leur incidence sur l’environnement ou les procédés.

La matière organique

Le charbon au sens strict est la partie de couleur noire et d’origine organique. Suivant son aspect macroscopique on distingue:
- Le fusain, fibreux, qui dérive de produits ligneux
- Le durain, mat, provenant de spores et de feuilles
- Le clarain, semi-brillant, et de même provenance,
- Le vitrain, brillant, formé d’une gelée cellulosique amorphe.

La minéralogie comporte deux constituants principaux: l’inertitite et la vitrinite dont les proportions correspondent à une évolution vers des stades de plus en plus avancés. Le pouvoir réflecteur de la vitrinite (R) permet de classer les charbons en “low rank” ( lignites) R< 0,6% et “High rank”(charbons bitumineux et anthracites) R> 0,6%.

La composition chimique est caractérisée par une teneur en hydrogène (4%) moitié de celle des pétroles. La teneur en carbone sur sec varie de 55% pour les lignites, à 70% pour les bitumineux et 90% pour les anthracites.

L’eau
La teneur en eau caractérise l’évolution des charbons et varie en raison inverse de leur pouvoir calorifique. Lors de leur enfouissement progressif les débris végétaux sont soumis à une pression et à une température croissantes (100 bars et 50 d°C à 1000 mètres), qui se traduit par une compression (10m. donnent 1 à 2m de charbon), principalement par expulsion d’eau. On distingue l’eau libre ( ‘free moisture’) et l’eau liée (‘inherent moisture’). L’eau libre est, par définition, celle qui s’évapore à la température ordinaire, l’eau liée celle qui s’évapore dans un courant d’air à 105 d°C. Elle représente la plus grande partie de l’humidité, notamment dans les lignites, l’eau liée, ou de constitution, restant en général de moins de 10%.

Les matières volatiles
Les matières volatiles sont des gaz absorbés durant la formation des charbons et emprisonnés dans ceux ci à une pression partielle voisine de celle de leur formation. Il s’agit essentiellement de CO2, de méthane (CH4) et autres hydrocarbures, ainsi qu’un peu d’argon et d’hydrogène. La teneur en volatiles diminue avec l’évolution du charbon en raison de conditions thermodynamiques croissantes, les gaz expulsés migrant vers la surface et pouvant être à l’origine de certains gisements pétroliers.

Le pouvoir calorifique de ces volatiles n’est pas nul mais il est inférieur à celui du charbon sensu stricto. Un charbon dé volatilisé ( coke par exemple) a donc un pouvoir calorifique supérieur à celui du charbon dont il dérive.

Lorsque les charbons sont mis à l’atmosphère, les pressions partielles des gaz on tendance à s’équilibrer avec celle ci: on obtient ainsi un dégagement de gaz, notamment de méthane cad de grisou. La teneur en méthane est en moyenne de l’ordre de 5 Nm3/t mais peut atteindre plus de 10 Nm3/t dans les gisements souterrains alors qu’elle est pratiquement nulle dans les carrières le méthane s’étant échappé avant leur exploitation.

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On appelle également « charbon » différents produits issus de la carbonisation de matières organiques :

Charbon de bois
Le charbon de bois ou charbon végétal est issu de la carbonisation du bois. Il est préparé artisanalement et industriellement pour servir de combustible. Le charbon de bois, résidu des foyers domestiques et des incendies, qui se conserve indéfiniment dans le sol, est étudié en archéologie, selon les méthodes de l’anthracologie.

Charbon d’os
Le charbon d’os, ou noir animal, est issu de la carbonisation des os. Il est utilisé comme filtre absorbant, pigment noir (noir d’ivoire) et engrais.

Charbon activé
Le charbon activé, ou charbon actif, se présente sous la forme d’une poudre noire, légère, constituée essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. Il est préparé à partir de charbon de bois ou de charbon d’os. Il trouve de nombreuses applications en chimie, filtration, industrie, médecine, agroalimentaire.

La houille
(mot wallon francisé) et l’anthracite sont des roches carbonées. Ce sont des roches combustibles fossiles solides provenant de la décomposition d’organismes du carbonifère.

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