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Le charbon

Le charbon est un terme général qui regroupe essentiellement la houille et la lignite. Il représente 80 % des énergies fossiles disponibles. C’est l’énergie fossile la plus abondante mais aussi la mieux répartie.

Formation

Il y a 250 à 300 millions d’années (période carbonifère à la fin de l’ère primaire), la forêt hercynienne, aux arbres géants, aux fougères arborescentes, couvrait de vastes étendues. Les débris végétaux (bois, écorces, feuilles, spores, algues microscopiques) se sont accumulés et ont été recouverts, par suite de phénomènes de subsidence, par un faible niveau d’eau. Ces dépôts, au gré des fluctuations de la subsidence, ont été recouverts de sédiments argileux ou sableux, puis des alluvions s’y sont ajoutées. Enfermé à l’abri de l’air, le dépôt végétal a fermenté et s’est enrichi en carbone. Pendant que les dépôts ont fermenté, du sable s’est accumulé sur l’argile, permettant à une nouvelle forêt de pousser. Puis le bassin s’est de nouveau enfoncé et une partie de la forêt a de nouveau été immergée. Et ainsi de suite. Ces débris végétaux se sont accumulés sur place dans des dépressions (sédiments autochtones) ou ont pu être transportés par des cours d’eau qui les ont déposés au fond de grands bassins sédimentaires (dépôts allochtones). Types de bassins.

Paraliques : en bordure des mers, dans des plaines basses (Nord, Pas-de-Calais). Limniques (ou intra-montagneux) : plus étroits et moins étendus, se caractérisent souvent par des affaissements plus marqués (Centre et Midi de la France). Le bassin de Lorraine est plus grand car formé dans de vastes zones de sédimentation séparées de la mer par un seuil continental.

Visiter ce lien pour visualiser les étapes de la formation du charbon

Différentes étapes de la fermentation

Au cours de la fermentation, les dépôts minéraux passent par différents stades :

la tourbe ;
le lignite ;
la houille ;
l’anthracite.

La tourbe ne peut pas être qualifiée de charbon. Elle commence à peine à se carboniser c’est-à-dire qu’elle contient seulement 60 % de carbone. C’est donc un mauvais combustible. Extraite des tourbières : marais couverts d’une végétation hygrophile, de mousses en particulier ; noirâtre ou brune, fibreuse, retenant fortement l’eau, de formation quaternaire. Elle contient peu de carbone. Après dessiccation, sa combustion dégage beaucoup de fumée, peu de chaleur et laisse des résidus importants.

La lignite est un charbon fossile qui n’est pas encore arrivée à maturation. Elle a commencé à se former il y a 60 millions d’années environ et contient seulement 65 à 70 % de carbone. Elle brûle mal et produit peu de chaleur donc peu d’énergie. Noir, brun noirâtre, parfois brun. Les principaux gisements sont de formation tertiaire. Structure fibreuse plus homogène que la tourbe, laisse apparaître des rameaux et de grosses branches. Plus riche en carbone que la tourbe, mais teneur en matières volatiles élevée, combustible assez médiocre.

La houille a commencé sa formation il y a 250 à 300 millions d’années. Elle contient entre 80 et 90 % de carbone. Comme elle contient plus de carbone que la lignite, c’est un meilleur combustible. Terme général désignant diverses variétés de charbon. Les principaux gisements datent de l’ère primaire. Au microscope, fragments d’écorces, tissus ligneux, feuilles et spores, noyés dans une masse fondamentale, sorte de gelée. Riche en carbone. Teneur en cendres, matières volatiles et eau, variable selon gisements.

L’anthracite est à peine plus âgé que la houille et contient un peu plus de carbone. Massive, homogène, teneur en matières volatiles très réduite, dure, cassure brillante.

Coke, ce n’est pas du vrai charbon. Obtenu en calcinant la houille dans des fours à plus de 1 000 C pendant 12 à 18 h. C’est un résidu de la distillation des charbons fossiles, de couleur gris argent. Dépourvu des produits volatils de la houille, il brûle sans fumée ni odeur.  Coke métallurgique : utilisé dans les hauts fourneaux, très compact, fournit environ 7 000 kilocalories et laisse peu de cendres. Classification (en mm) : 10/20 ; 20/40 ; 40/60 ; 60/90. Dans les hauts fourneaux, il s’unit au minerai de fer pour donner de la fonte.

Graphite : carbone naturel cristallisé. Ses gisements dérivent pour la grande majorité du métamorphisme de couches charbonneuses. Se trouve à l’état de paillettes (cristallisé) ou finement divisé (amorphe ou cryptocristallin). On obtient du graphite artificiel à partir du charbon ou du coke de pétrole. Utilisation : creuset et moule pour fonderie (variété cristalline) ; aciers spéciaux, lubrifiants, piles et crayons.

De même, le charbon de bois n’est pas naturel. C’est un charbon artificiel qui est obtenu par combustion incomplète de végétaux.

Les différentes mines

Il existe deux types d’exploitations :

les mines souterraines ;
et les mines à ciel ouvert.

Dans les mines souterraines, les mineurs creusent des galeries à l’intérieur du sol jusqu’à la veine (aussi appelée filon) de charbon. L’accès aux veines à exploiter se fait :

soit par puits et par galeries ;
soit par descenderie (plan d’accès incliné et débouchant au jour).

Les galeries peuvent être directement creusées dans le filon (c’est le système à chambres et colonnes) ou bien enserrer le filon de manière circulaire. Dans le système à chambres et colonnes, le filon est abandonné avant d’être complètement épuisé. En effet, au fur et à mesure de l’exploitation, les colonnes s’amenuisent et la voûte risque alors de s’écrouler. Dans ces mines, la profondeur maximale des puits est généralement de 1000 à 1200 mètres. Le puits le plus profond se trouve en Inde, à Kolar et atteint plus de 3000 mètres de profondeur.

Dans les mines à ciel ouvert, l’exploitation se fait généralement entre 10 et 400 mètres de profondeur. Ces mines ressemblent à de grands amphithéâtres avec d’énormes gradins. Durant l’exploitation, les couches de terre recouvrant ou entourant le charbon sont décapées afin d’atteindre le filon. Ainsi, l’amphithéâtre s’élargit progressivement et devient de plus en plus profond.

Le coup de grisou

Le coup de grisou est l’accident lié à l’exploitation du charbon le plus connu. Le grisou est un gaz (composé essentiellement de méthane CH4) contenu dans la houille. Il est inflammable dès qu’il est présent à plus de 6 % dans l’air. Une simple étincelle suffit alors; c’est l’explosion ou coup de grisou.
Le coup de grisou le plus meurtrier en France s’est produit en 1906 à Courrières. Il fit environ un millier de victimes.

Transport

Aux XVIIIe et XIXe siècles, les usines se plaçaient généralement autour des bassins charbonniers afin d’éviter de longs transports. De nos jours, on transporte aisément le charbon par pipe-lines ou bien par voies fluviale, maritime ou ferroviaire.

Les pipe-lines sont l’équivalents des oléoducs pour le pétrole. Ils sont plutôt utilisées pour des transports sur de courtes distances. Pour être transporté ainsi, le charbon doit subir des modifications. En effet, le charbon se présente sous forme de blocs solides. Il est donc broyé sous forme de fines particules puis dilué dans une solution liquide.

Pour les longues distances, le charbon est transporté par barges ou péniches, par trains ou encore par bateaux sans être préalablement transformé.

Réserves

Les principaux pays riches en charbon sont situés en zones tempérées. Ce sont les Etats-Unis, la Belgique, la France (nord de la France), l’Allemagne, la Pologne, la Russie et la Chine. Les réserves exploitables de charbon correspondent à 10 000 milliards de tonnes soit sept fois plus que celles du gaz et du pétrole. Ces réserves sont suffisantes pour subvenir aux besoins pendant environ 300 ans.

Utilisation

De nos jours, le charbon est utilisé :

pour obtenir un substitut au gaz naturel, GNS (gaz naturel de synthèse) : c’est la combustion directe du charbon dans la veine qui produit le GNS ;

pour produire du méthane CH4 : il est produit naturellement dans les veines par dégazage du charbon ;

en métallurgie du fer et de l’acier (utilisation du coke pour l’obtention de fonte par exemple) ;

et pour fabriquer des carburants et des fluides susceptibles d’être brûlés dans les chaudières (centrales thermiques par exemple) ou transformés par la chimie (vernis, savon, plastiques, solvants, tergal, explosifs, parfums, colorants, caoutchouc, cosmétique, lubrifiants, désinfectants, teintures, photographie, insecticides, goudrons, enduits, pharmacie …)

Classification des charbons :

Catégories (% de matières volatiles) : anthracite – de 8, maigres anthraciteux 8 à 14, 1/4 gras 12 à 16, 1/2 gras 14 à 22, gras à courte flamme ou 3/4 gras 18 à 27, gras proprement dit 27 à 40, flambants gras + de 30, secs + de 34.

L’anthracite : de faible teneur en MV très riche en carbone, il brûle régulièrement avec peu de flammes. Plus homogène, il présente plus de dureté et sa cassure est brillante, Il est très recherché mais ses réserves sont relativement peu abondantes dans le monde. Il est principalement utilisé pour le chauffage domestique individuel.

Les demi-gras et gras : de teneur moyenne en MV, ils brûlent régulièrement avec de bonnes flammes. Surtout utilisés pour la production de coke métallurgique, ce sont les « charbons à coke ».

Les flambants (gras ou sec) : avec plus de 30% de MV et peu de propriétés cokéfiantes, ils brûlent en donnant de longues flammes. D’un pouvoir calorifique important, ils constituent l’essentiel des charbons utilisés dans les chaudières industrielles. C’est pour cette raison qu’on les appelle « charbon-vapeur ». Ce sont aussi les plus abondants et les moins onéreux.

Calibre (dimensions en mm) : gros calibres 80 x 120 ; gailletins 50 x 80 ; noix 30 x 50 ; noisettes 20 x 30 ou 15 x 30 ; braisettes 10 x 20 ou 10 x 15 ; grains 6 x 10.

Pouvoir calorifique (en millithermies sur brut) : anthracites 7 050, maigres 7 815, 1/4 gras 7 080, 1/2 gras 7 680, gras 7 250, flambants gras 7 120, secs 6 770, ligniteux 5 850.

Ces classifications divergent légèrement de bassin à bassin, pour tenir compte des usages. Les maigres sont utilisés surtout dans les fours à feu continu. Les flambants permettent de donner des  » coups de feu « . Plus il y a de matières volatiles, plus le charbon brûle vite.

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