Soutenance mémoire
DÉFINITION DU CHARBON DE TERRE
Derrière le mot « charbon » se cache une large famille de produits énergétiques. D’une façon générale, on appelle charbon, toute roche sédimentaire d’origine organique contenant au moins 50% de carbone, de matières volatiles (hydrogène et hydrocarbures) et des impuretés. Quand le charbon brûle, les matières volatiles s’enflamment et le carbone constitue la masse solide incandescente. Les impuretés (essentiellement des schiste, grès, calcaire et sulfures) se trouvent dans les cendres et les fumées.
ORIGINE ET FORMATION DU CHARBON DE TERRE
Le charbon de terre provient de la transformation lente des végétaux qui se sont trouvés immergés à certaines époques géologiques, généralement très anciennes (plusieurs millions d’années). En effet, à des époques géologiques reculées, et surtout pendant l’époque carbonifère, une grande partie du globe fut couverte d’une végétation luxuriante qui poussa dans les marais. Nombre de ces plantes étaient des fougères, certaines aussi hautes que les arbres. Cette végétation mourut et se retrouva sous l’eau où elle se décomposa progressivement. Lors du processus de décomposition, la matière végétale perdit des atomes d’oxygène et d’hydrogène, laissant un dépôt à forte teneur en carbone. C’est ainsi que se formèrent des tourbières. Avec le temps, des couches de sable et de boue en suspension dans l’eau sédimentèrent sur certains dépôts de tourbe. La pression de ces couches sous-jacentes, mais aussi les mouvements de la croûte terrestre et parfois la chaleur des volcans, agirent pour comprimer et durcir les dépôts, produisant du charbon. Durant cet enfouissement, le carbone organique s’est transformé en carbone minéral par action de micro-organismes (carbonatation), l’eau a été expulsée en forte proportion et la roche s’est indurée. La plus grande partie du charbon que nous employons, actuellement, s’est formée à la période carbonifère, il y a 250 à 350 millions d’années. Si à l’échelle d’âge supposé de la terre (4 à 5 milliards d’années), cette période n’est pas énorme, elle est par contre gigantesque une fois rapportée à l’histoire de l’humanité (quelques dizaines de milliers d’années). Le charbon, né de dépôts organiques végétaux, a donc eu tout loisir de se transformer et de subir de multiples bouleversements géologiques. Il y a environ 250 ou 350 millions d’années, les continents étaient encore entièrement recouverts de végétaux, constituant la plus vaste et la plus importante forêt équatoriale de tous les temps. Ces plantes géantes profitent du climat tropical qui règne sur la terre : beaucoup de chaleur, beaucoup d’humidité et des pluies abondantes. Toutes ces plantes vont vivre, mourir et se déposer sur ce sol humide, en quantité si importante qu’à certains endroits vont se former d’immenses tourbières.
Des cuvettes naturelles où l’eau et les végétaux se mélangent et forment une boue de feuilles, de troncs et de tiges en décomposition, un peu comme pour le compost qu’on trouve au fond du jardin, mais en quantité énorme. Normalement, les petites bactéries décomposent cette matière. D’une certaine manière, elles la « mangent » et la font disparaître. C’est ce qui se passe à notre époque, en tout cas. À l’ère carbonifère, c’est un peu différent. Ces petits organismes n’étaient pas encore assez « gourmands », pas assez évolués pour décomposer toute cette masse végétale présente en quantité bien trop importante. Ces immenses cuvettes marécageuses vont ensuite être englouties par les brusques changements du niveau des océans ou les périodes de pluies intenses, recouvertes par les boues, les poussières, les sédiments marins…
Quand l’eau se retire, la végétation reprend immédiatement sa place sur ce sol, y pousse, grandit et meurt. Elle forme de nouvelles tourbières, des cuvettes marécageuses qui seront à leur tour recouvertes. Ces couvertures successives de matières vont se retrouver emprisonnées dans le sous-sol. Elles deviendront des couches souterraines. Elles vont lentement se tasser, se compacter et subir la pression et la chaleur des profondeurs du sous-sol. C’est ainsi que ces «boues végétales» vont se transformer. À l’intérieur de ces poches visqueuses, les plantes contiennent encore beaucoup de carbone. Ce carbone va se « fossiliser », devenir solide et former des poches de gaz, gaz provenant de sa décomposition même.Ce cycle durera plusieurs dizaines de millions d’années, jusqu’à ce que la grande période carbonifère se termine et avec elle, la plus grande accumulation de végétaux de notre histoire. Par la suite, le charbon a continué, et continue encore, de se former, mais en quantité beaucoup moins importante. La terre de nos jardins, ou le sol de nos forêts, de couleur très sombre, presque noire, deviendront peut être dans quelques centaines de millions d’années, du carbone pratiquement pur. Pendant tout ce temps, le sous-sol continuera lui aussi de se constituer par couches successives : un empilement de plusieurs centaines de mètres de poussière, de particules minérales, végétales ou animales formeront des couches sédimentaires. Les poches de ce « charbon » devenu solide vont devenir de la « houille ». On entend par là que ledit charbon contient une quantité définie de carbone (70 à 90%). S’il en contient moins, c’est du lignite (60%) ou de la tourbe (moins de 50%). S’il en contient 93% ou plus, le charbon devient de l’anthracite. (Un dérivé de cette matière, d’apparence plus visqueuse, sera découvert dans d’autres gisements et appelé plus tard « huile minérale » : le pétrole.).La tourbe, moins riche en carbone, présente encore un aspect « végétal ». On y distingue encore des formes de branches ou de racines. Elle met aussi moins de temps à se former (10.000 à 15.000 ans), et se trouve donc souvent près de la surface du sol. Il suffit de la découper en blocs pour l’extraire. Progressivement, la tourbe pourra se transformer en lignite, puis en charbon, plus dur, plus riche en carbone, et donc beaucoup plus ancien (environ 350 millions d’années). Ces matières riches en carbone ont la capacité de produire beaucoup d’énergie en brûlant, on peut donc les appeler des combustibles. Leur teneur en carbone leur permettra aussi de brûler longtemps. Comme il leur a fallu des dizaines et même des centaines de millions d’années pour se former, on les classe parmi les matières dites « fossiles». De ces résidus d’anciensvégétaux, il ne reste que le carbone, et ils sont ainsi devenus des minéraux. Voilà pourquoi, onappelle ces produits, des combustibles fossiles.
COMPOSITION ET TYPES DE CHARBON DE TERRE
Composition physique
Le charbon de terre est constitué physiquement de :
o matières minérales ;
o matières organiques ;
o eau ;
o matières volatiles.
Les matières minérales
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, magnésium) et des traces d’éléments tels que les soufre, chlore, fluor, sodium ou phosphore, des substances qui font l’objet de limites dans les spécifications contractuelles, en raison de leur incidence sur l’environnement ou les procédés.
Les matières organiques
Le charbon au sens strict est la partie de couleur noire et d’origine organique. Suivant son aspect macroscopique, on distingue :
o Le fusain, fibreux, qui dérive de produits ligneux ;
o Le durain, mat, provenant de spores et de feuilles ;
o Le clarain, semi-brillant, de même provenance que le durain ;
o 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 (R) de la vitrinite permet de classer les charbons en « low rank » (lignites) où R< 0,6% et « High rank » (charbons bitumineux et anthracites) où R> 0,6%.
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°C à 1000 mètres), qui se traduit par une compression (10 m donnent 1 à 2 m 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°C. Elle représente la plus gran de partie de l’humidité, notamment dans les lignites, l’eau liée, ou de constitution, est en général, moins de 10%.
Les matières volatiles
Les matières volatiles sont des gaz adsorbés 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 dioxyde de carbone (CO2), de méthane (CH4) et autres hydrocarbures, ainsi qu’un peu d’argon (Ar) et d’hydrogène (H2). La teneur en matières volatiles diminue avec l’évolution du charbon en raison des conditions thermodynamiques croissantes, les gaz expulsés migrant vers la surface et pouvant être à l’indice de certains gisements pétroliers. Le pouvoir calorifique de ces matières volatiles n’est pas nul mais inférieur à celui du charbon sensu stricto. Un charbon dévolatilisé (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 ont tendance à s’équilibrer avec cette dernière : on obtient ainsi un dégagement de gaz, notamment du méthane c’est-à-dire du grisou. La teneur en méthane est en moyenne de l’ordre de 5 Nm3 /t. Elle 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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Table des matières
INTRODUCTION
GÉNÉRALITÉS ET BIBLIOGRAPHIE
1. DÉFINITION DU CHARBON DE TERRE
2. ORIGINE ET FORMATION DU CHARBON DE TERRE
3. COMPOSITION ET TYPES DE CHARBON DE TERRE
3.1. Composition physique
3.2. Composition chimique
4. CLASSIFICATION DU CHARBON
4.1. Classification selon la composition
4.2. Classification selon le pouvoir calorifique
5 CARACTÉRISATION DU CHARBON DE TERRE
5.1. L’indice de matières volatiles
5.2. Le pouvoir calorifique
5.3. L’humidité
5.4. La teneur en cendres
5.5. La teneur en soufre
5.6. La granulométrie
5.7. L’indice de gonflement
6. UTILISATIONS DU CHARBON DE TERRE
7. RESSOURCES, RÉSERVES ET PRODUCTION DE CHARBON DE TERRE
7.1. Ressources
7.2. Réserves mondiales
7.3. Production mondiale
8. ÉTUDES EFFECTUÉES SUR LE CHARBON DE LA SAKOA
8.1. Les gisements houillers de la Sakoa
8.2. Cadre historique
8.3. Cadre géographique et géologique
8.4. Réserves
9. CARACTÉRISTIQUES DU CHARBON DE TERRE DE L’AFRIQUE DU SUD
9.1. Origine et formation
9.2. Caractéristiques
1. ÉTUDE DES CARACTÉRISTIQUES DU CHARBON DE LA SAKOA
1.1. Secteur de Namboreko
1.2. Secteur d’Andremby
1.3. Secteur d’Andranomanintsy
2. POSSIBILITÉ D’UTILISATION
2.1. Source d´énergie dans la production des matériaux de construction
2.2. Source d´énergie dans la centrale thermique
2.3. Source d´énergie dans la chaufferie
2.4. Source d´énergie de navire
2.5. Source d´énergie pour les locomotives
2.6. Source d´énergie dans les ménages
CONCLUSION
1. ÉTUDE DE LA TRANSFORMATION DU CHARBON DE TERRE EN COMBUSTIBLE DOMESTIQUE
1.1. Processus de transformation du charbon de terre en combustible domestique
1.2. Étude, conception et élaboration des matériel et équipements
1.3. Cokéfaction du charbon
1.4. Essais de cokéfaction du charbon
1.5 Adjuvant
1.6. Optimisation de la teneur en liant
1.7. Essais de compactage
1.8. Essais de séchage
2. CARACTÉRISTIQUES DES BRIQUETTES DE CHARBON
2.1. Composition
2.2. Morphologie
2.3. Caractéristiques thermiques
2.4. Caractéristiques chimiques
2.5. Caractéristiques mécaniques
CONCLUSION
ÉTUDE DE L’UTILISATION DES BRIQUETTES DE CHARBON DE TERRE COMME COMBUSTIBLE DOMESTIQUE
1. DÉROULEMENT DU TEST D’ACCEPTABILITÉ
1.1. Betioky Atsimo
1.2. Toliara
2. RÉSULTATS DES TESTS
2.1. Betioky-Atsimo
2.2. Toliara
2.3. Récapitulation des résultats du test d’acceptabilité
3. TEST D’ÉBULLITION D’EAU (TEE)
3.1. Définition
3.2. Résultat du test
4. TEST DE CUISINE CONTRÔLÉE (TCC)
4.1. Définition
4.2. Résultat du test
5. PROPOSITION DE SOLUTIONS AUX PROBLÈMES LIÉS À L’UTILISATION DES BRIQUETTES DE CHARBON DE TERRE
6. CONCEPTION ET ADAPTATION DES FOYERS
CONCLUSION
