FORMATION ET UTILISATION DU CHARBON

 

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I . Le charbon: ressource utilisée par l'homme.

 

-Comment s'est-il produit ?

La formation du charbon est le résultat d'un processus lent dépendant essentiellement de l'enfouissement des sédiments et de la tectonique environnante.

La décomposition des débris végétaux à l'abri de l'air marque le début du processus de formation. Pour ce faire, l'enfouissement doit être rapide afin de limiter l'oxydation*. Au cours de cette phase, la matière végétale en décomposition se tasse, perd son eau, s'enrichit en carbone et se transforme peu à peu en roche: c'est la carbonification*.

La transformation des restes des végétaux donne alors des charbons de plus en plus évolués.

Plus le charbon est évolué, plus sa teneur en carbone est élevée et moins les débris végétaux sont reconnaissable à l'œil nu ou au microscope.

 

Le charbon est donc une roche d'origine végétale et provient de la transformation d'éléments végétaux comme les spores, les cuticules ou les débris de bois (tous ces éléments proviennent de la famille de macéraux*).

 

 

-Quand a-t-il été exploité?

Le charbon est exploité depuis l'antiquité comme un matériau pour se chauffer ou comme combustible. Il est extrait dans des mines souterraines ou à ciel ouvert.

 

 

-Que se passe t-il après son extraction?

Après son extraction, le charbon à l'état pur est purifié (ou lavé) puis trié.

C'est alors qu'on choisit son utilisation: chauffages domestiques, alimentation de chaudières industrielles, production de fontes ou d'essences synthétiques selon sa qualité, il peut en effet être brulé, transformer en coke ou gazéifié.

 

 

 

II. Quelques utilisations du charbon

 

De nos jours, le charbon peut avoir une utilisation quotidienne : on l'utilise par exemple pour les barbecues ou dans certains dentifrices.

Cependant, la plus grosse utilisation reste dédiée aux centrales thermiques à charbon ainsi qu'à la sidérurgie.

 

 

1. Centrale thermique à charbon

 

-Fonctionnement de cette centrale

 

 

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Le charbon est toujours employé comme combustible de nos jours. Son usage pour le chauffage domestique recule et c'est l'alimentation de chaudières industrielles qui domine.

La production d'électricité est ainsi devenue aujourd'hui l'utilisation principale du charbon, au travers des centrales thermiques à charbon.

Le principe est simple : le charbon est brûlé dans une chaudière. La chaleur dégagée transforme de l'eau en vapeur. Celle-ci entraine une turbine couplée à un alternateur qui génère l'électricité.

En traversant le condenseur qui la refroidit, la vapeur se retransforme en eau, puis repart pour un nouveau cycle vers la chaudière.

 

2. Sidérurgie

 

-Comment ça fonctionne

On emploie du charbon concentré en carbone quasi pur qui donne le coke*. Le processus de cokéfaction* consiste à porter un mélange de charbon de bonne qualité à haute température (1000°C).

Une fois le coke fabriqué, il est mélangé dans les hauts fourneaux avec des minerais de fer pour donner de la fonte* (alliage de fer et de carbone).

La fonte est utilisée pour fabriquer des tuyaux de chantier ou des cocotes pour la cuisine par exemple.

Ce processus nécessite les batteries de plusieurs dizaines de four de 8 mètres de hauts chacun.

 

 

 

 

 

III . Pollution : Les rejets dans l'environnement  

 

1. Les rejets solides  

Le charbon est source de pollution et pose un problème très difficile à maîtriser tel que la gestion des déchets de sa combustion.

Les déchets liés à la production électrique sont pris en charge par les centrales à charbon, ces déchets sont stockés sous forme de boue. Ils sont à l’origine d’importantes pollutions. Cette solution de stockage présente des limites étant donné l’absence d’étanchéité des étangs vis-à-vis du milieu environnant.

 

 

Les rejets des centrales thermiques (cendres et mâchefers) ne posent pas de problèmes car ils sont souvent recyclés. Seuls les résidus de lavage du charbon, qui doivent être stockés dans des bassins d’épandage, sont susceptibles de contaminer les eaux superficielles. Dans les pays développés, la législation impose des normes aux rejets liquides et les eaux qui s'écoulent dans les digues doivent être traitées (élimination des sulfates principalement) avant le rejet au milieu extérieur.



Les cendres volantes constituent une autre source de pollution atmosphérique. La filtration au moyen de filtre électro-statiques permet de maintenir ces rejets conformément aux normes imposées (soit 100 mg/m3 pour les centrales de puissance inférieure à 500 MW et à 50 mg/m3 pour les puissances supérieures.)



2. Les rejets gazeux : méthane, CO2 (gaz carbonique) et SO2* ,NOx

Les Nox* (ou oxydes d’azote) produits par la combustion varient dans de fortes proportions suivant la nature du charbon et la température de combustion. Sachant que l’on a en moyenne 9,2 m3 de fumée par kilo de charbon brûlé, l’émission est comprise entre 3,7 à 9,2 kg de NOx par tonne de charbon suivant les conditions de combustion. En moyenne le charbon contribuerait à 5 % du total des émissions, biomasse comprise.

La formation de NOx peut être réduite par maintien de la température du foyer à moins de 1300 °C et par l’utilisation de brûleurs à bas NOx qui limitent au minimum l’oxygène nécessaire à la combustion. Des filtres peuvent aussi compléter l’épuration des fumées dans les centrales les plus récentes. Les moyens technologiques existent donc pour diminuer les émissions actuelles.

 

Le charbon contient du soufre sous forme minérale et organique qui lors de la combustion se combine à l’oxygène et se retrouve partiellement dans les fumées sous forme de SO2 1% de soufre correspond à 20 kg de SO2 par tonne de charbon, laquelle dégage 10.000 m3 de gaz de combustion. Sur ces bases, le total de charbon consommé rejetterait 70 Mt de SO2 .

 

 

 Vocabulaire :

 

La sidérurgie : art de façonner le métal.

Fonte: alliage de fer et de carbone.

Charbon : terme générique qui désigne un ensemble de combustibles solides de composition 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.

Oxydation : perte d'un ou plusieurs électrons par une molécule, parfois accompagné d'une perte de protons.

Carbonification : enrichissement progressif en carbone des débris organiques à l'origine de la houille.

Macéraux : famille d'éléments végétaux.

Coke : charbon concentré en carbone quasi pur.

Cokéfaction : Action de transformer le charbon en coke.

SO2 : dioxyde de souffre

NOx : Composé d'azote et d'oxygène qui comprennent les gaz d'acide nitrique et de dioxyde d'azote