S.V.T. terminale C - Géologie appliquée

La houille Cours

LA HOUILLE

 

             I.      INTRODUCTION

 

La houille ou charbon de terre est une roche sédimentaire carbone extraite des profondeurs du sol dans des endroits appelés bassins houillers. Elle peut constituer soit des couches charbon soit des veines charbonneuses. Les estimations grossières des réserves mondiales de charbon s'élèvent à 10 000 milliards de tonnes dont 80 milliards exploitables dans l'état actuel de la technologie et des prix. Les réserves globales s'élèveraient même à 30 000 milliards de tonnes.

De tous les combustibles actuels, la houille est le combustible le plus abondant. Selon les conférences mondiales sur l'Energie (1974), les réserves sont au moins, cinq fois plus grandes que toutes les ressources combinées de pétrole brut, gaz naturel et schiste bitumineux à forte teneur

                      

          II.      ORIGINE ET FORMATION DE LA HOUILLE

 

L'origine végétale de ces matières carbonées est prouvée d'une façon certaine. Voici les stades successifs de formation:

1er temps: des quantités énormes de débris végétaux, bois, écorces, feuilles, spores, algues microscopiques fournis essentiellement par des forêts à végétation exubérante s'accumulent dans un site géologique favorable.

2ème temps: la couche végétale ainsi constitué est recouverte par les eaux, sans doute, à la suite d'un affaissement du sol

3ème temps: sur cette couche se dépose un sédiment minéral alluvionnaire sur lequel se constituera une autre végétation.

4ème temps: à l'abri de l'air commence la fermentation de la houille végétale. Au cours de cette fermentation extrêmement lente, les sédiments végétaux s'enrichissent fortement en carbone, alors que diminue corrélativement la part des autres substances initialement contenues dans le dépôt.

 

                                Conditions de réalisation de cette subsidence

 

Conditions géologiques: existence d'aires de subsidence.

Conditions climatiques: atmosphère humide, chaude et chargée de gaz carbonique.

Ces deux conditions doivent être remplies.

Par la paléoclimatologie et la paléobotanique, l'on sait que ces conditions furent d'une manière exceptionnelle, réunies à la fin de l'ère primaire (Permo-Carbonifère).

Sur la formation de ces couches fossiles, deux grandes théories sont avancées: l'autochtonie qui prévaut aujourd'hui et l'allochtonie. Dans un bassin autochtone, le lit (mur: en langage minier) sur lequel repose la couche de charbon est gréseux ou argileux. Sa structure est irrégulière et entrecroisée; il recèle des fragments de racines végétales (dans la position qu'elles devaient avoir dans une forêt "vivante").

Le toit de la couche par contre, est constitué de grès ou de schistes à sédimentation régulière et portant des empreintes de feuilles, des coquilles de mollusques ou autres fossiles d'invertébrés ou vertèbres divers. Entre ces deux bancs se trouve la couche de houille. Elle est composée d'une purée végétale assez fine dont le dépôt s'est opéré lentement et sans déplacement ni transport notable. Exemples de bassins houillers autochtones:

   - Aux Etats-Unis, à l'Ouest des Appalaches

   -  Sakoa: dans le Sud-Ouest de Madagascar

 

       III.      PREPARARTION DE LA HOUILLE

Il va sans dire que le charbon n'est pas livré au consommateur tel qu'il sort de la mine. Il subit une préparation plus ou moins complexe qui lui donne les spécifications correspondantes aux usages auxquels on le destine. Certes, on ne modifie pas sa nature, mais des opérations sélectives permettent de tirer, du produit brut, une série de produits homogènes aux caractéristiques bien déterminées

 

     Classification commerciale

 

Les charbons sont classés suivant deux caractéristiques  principales complémentaires : la catégorie et le calibre.

 Mais il est plus rationnel de prendre pour référence la  teneur en matières volatiles qui donne une indication plus précise que la catégorie. Le calibre indique la dimension des morceaux dont il donne une limite inférieure et une limite supérieure. A chaque calibre correspond une appellation beaucoup plus usuelle que sa définition dimensionnelle. Ces calibres sont:

-Tout venant: 0 à 200mm

– Gros calibres 80 à 120mm

– Gailletins 50 à 80mm

– Noix 30 à 50mm

– Noisettes 20 à 30mm ou 15 à 30mm

– Braisettes 10 à 20mm ou 10 à 15mm

– Grains 6 à 10mm – Fines 0 à 6mm

– Pulvérulents 0 à 1mm

– Schlamms 0 à 0,5mm          .

 

        IV.      LA CARBOCHIMIE

 

La carbochimie est l'industrie de la transformation chimique des houilles et de leurs dérivés.

La carbochimie a permis la création des industries des engrais azotés, des carburants synthétiques, des matières plastiques et des textiles synthétiques, des goudrons, des colorants, des produits pharmaceutiques et des explosifs. C’est avant la première guerre mondiale et durant la période s'étendant de la naissance de l'industrie gazière à1914 que l'on peut situer la première phase du développement de la carbochimie.

Après la guerre de 1914-1918, trois autres procédés de valorisation de la houille furent mis au point pour couvrir les besoins mondiaux en matières premières utilisées dans l’industrie chimique pour la fabrication de produits organiques de synthèse nouvellement créés au moyen de:

                      1) la carbonisation à basse température

                      2) l'hydrogénation du charbon

                      3) la gazéification

1) La carbonisation à basse température (500°C à 700°C)

Les procédés ont pour objet initial la production de combustibles liquides à partir d'un charbon de qualité secondaire inapte à la carbonisation à haute température. On obtient du semi-coke et comme sous-produits des goudrons riches en phénols, crésols et huiles légères, une essence brute aromatique, des eaux ammoniacales que l'on transforme en sulfate d'ammonium, des gaz riches dont le pouvoir calorifique supérieur dépasse 5 000 cal/m3

 

2) L'hydrogénation du charbon

L'hydrogénation du charbon consiste à fabriquer des carburants liquides. Le procédé Bergius d'hydrogénation a fourni de l'essence pendant la deuxième guerre mondiale mais fut arrêté vers 1945 à cause de ses prix de revient plus élevés que ceux de l'essence de pétrole.

 

3) La gazéification

La gazéification des combustibles solides en présence de vapeur d'eau et d'oxygène, a été, pendant longtemps, une source importante de ce gaz. Nous pouvons observer les chaînes de réactions chimiques résumant ces deux derniers procédés:

 

 

Procédé à l'air et à la vapeur d'eau

 

C    +     O2                                               CO    +    kcal

(Carbone) (de l'air)                         Monoxyde de carbone)

C    +   H2O                                       CO    +    H2                                                                              SOUS

          (Vapeur d'eau)

                                                                                                                                       TERRE

BILAN:

C + O2     +    H2O                            CO     +     H2          

Procédé à l'hydrogène

 

CO   +   H2O                                        CO2    +   H2

 

CO   +   3H2                                                      CH4      +   H2O                        EN SURFACE

                                                             (Methane)                           

 

CO   +   2H2                                                      CH3OH                                   

                                                             (Methanol)

 

Procédé à l'hydrogène

 

C   +   2H2                                                     CH4                                                                SOUS TERRE

 

CH4   +   2H2O                                   CO2   +   4H2                                           EN SURFACE                                        

 

BILAN                                                                                             

 

2C    +   2H2O                                  CH  +   CO2

 

   La gazéification souterraine par hydrogénation directe est un procédé actuellement en Allemagne

 

BILAN ACTUEL DE LA CARBOCHIMIE

 

   Aujourd'hui, la carbochimie est essentiellement fondée sur les produits résultant de la distillation du charbon à haute température. Dans ce procédé on distille, vers 1 200°C, une houille grasse comportant 20 à 30% de matières volatiles et l'on obtient par tonne de charbon enfournée :

700 à 800kg de coke, 25 à 40kg de goudrons; 1,4 à 2,6  d'ammoniac; 7 à 12 kg de benzol; 6 à 10g de sulfate d'ammonium; 300 à 350m3 de gaz dont le pouvoir calorifique supérieur est de l'ordre de 4 900 calories.

 

LE COKE: Il est constitué de carbone assez pur avec très peu de matières volatiles, gris, léger et poreux sans être friable; il brûle sans dégager de suie, de fumée ou d'odeur. En outre, il fournit les quantités importantes de calories nécessaires à la fusion du minéral dont il assure en même temps la réduction chimique par absorption de l'oxygène des oxydes de fer. Son pouvoir calorifique doit être élevé (6 500 à 7 500 calories) et sa combustion presque complète pour ne laisser que peu de cendres (8 à 10%)

Seuls les charbons ayant une teneur moyenne en matières volatiles (18 à 35%) et un bon pouvoir agglutinant produisent le coke. Le coke est destiné soit aux hauts fourneaux et à la fonderie, soit au chauffage, soit encore à l’industrie chimique. Jusqu'en 1950, les matières premières constituant la base des principales fabrications de synthèse comme H2, CO, CH4, C2H2, C2H6 furent presque uniquement les produits solides et gazeux de la carbonisation.

Le carbure  de calcium en particulier joue un grand rôle dans le développement de l'industrie chimique servant à produire de l'acétylène et ses dérivés. Il faut souligner aussi que l'industrie du carbure de calcium permet de produire un engrais, la cyanamide calcique, après une réaction dite d'azotation. C'est une industrie spécifiquement carbochimique, puisqu'elle met en œuvre l'énergie électrique, le coke et la chaux. Le coke, grâce à son usage spécifique, maintiendra aux mines de charbon un marché privilégié, tant qu'il n'aura pas à s'effacer devant des nouvelles techniques métallurgiques capables de modifier radicalement et massivement le processus de préparation de la fonte ou de l'acier.

 

 LES GOUDRONS: d'abord déshydratés, sont distillés. Deux cas peuvent se présenter:

-  si la distillation est partielle, on obtient les goudrons routiers

-  si la distillation est totale, on obtient les brais (50 à 55%) + huiles brutes (45 à 50%)

             Les brais servent à l'agglomération des charbons maigres et quart gras; ils sont encore utilisés pour les produits imperméabilisants, les enduits, les peintures, et les vernis de protection.

            Les huiles peuvent être obtenues en proportions variables en fonction de la conjoncture économique. Elles sont fractionnées en plusieurs coupes d'où l'on retire toute une série de produits qui deviennent la matière première de diverses fabrications chimiques.


Last modified: Monday, 25 January 2016, 1:49 PM
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