Soutenance mémoire
Le charbon de terre, une roche sédimentaire, est aujourd’hui l’un des principaux combustibles utilisés dans le monde. Non seulement il n’a pas cessé de jouer un rôle important dans de nombreux pays, mais il est susceptible de retrouver un nouveau développement lorsqu’on maîtrise mieux sa production. Parmi les pays en voie de développement, Madagascar est particulièrement avancé en ce qui concerne la recherche géologique. Il possède un grand bassin houiller de charbon gras situé au Sud-Ouest de l’île et encore quasiment inexploité. A Madagascar, l’utilisation du charbon de terre, comme source d’énergie contribuerait à préserver l’environnement en évitant les dégâts très aigus de la déforestation. L’utilisation du charbon de terre par diverses industries comme la forge, la fonderie, la production de chaux, de ciment, la valorisation chimique, devrait également être envisagée. Face aux crises énergétiques actuelles du le pétrole et où la raréfaction du bois énergie, les besoins d’énergies de remplacement se font sentir énormément dans tous les pays en développement comme Madagascar. Pourtant notre pays possède des ressources énergétiques. L’exploitation de ces gisements pourrait ouvrir des perspectives intéressantes de production de combustible. Aussi avons-nous conduit à nous pencher sur la « VALORISATION DU CHARBON DE TERRE DE LA SAKOA ».
RAPPELS SUR LE CHARBON DE TERRE
DEFINITION
Les charbons sont des roches sédimentaires faites uniquement de débris végétaux ; leur opacité est telle qu’on ne peut les étudier au microscope polarisant ordinaire. Leur structure n’apparaît que sur des sections polies éclairées par réflexion. [1] La transformation des débris végétaux se fait partiellement sous l’action d’agents divers, à la fois physiques et chimiques. L’opération est basée sur deux étapes :
– étape biologique (décomposition bactérienne anaérobie) ;
– étape géologique (transformation par élévation de température suite à une accumulation de dépôts provoquant de fortes pressions).
La houille est un charbon fossile appelé charbon de terre, qui sert de combustible et qui a la propriété de brûler ; [2] C’est le résultat de la carbonisation lente, à l’abri de l’air des matériaux d’origine végétale charriés, puis déposés par les eaux courantes. Le charbon de terre renferme une proportion élevée de carbone [2] C’est une matière organique qui a subi des transformations d’état ou de forme chimique lors d’un stockage prolongé dans l’écorce terrestre, et qu’on utilise comme source d’énergie
ORIGINE ET FORMATION
Le charbon de terre est né il y a 250 millions d’années. Il était déjà connu à la fin de l’ère primaire. Des débris végétaux laissés par les forets se sont peu à peu enfoncés dans le sous – sol. Puis de l’eau et de la terre ont recouvert le sol. Les débris végétaux ont pourri, durci, noirci et se sont lentement transformés en charbon de terre. D’ou la description schématique suivante:
1ère étape : Des quantités énormes de débris végétaux comme le bois , les écorces, les feuilles viennent se déposer dans les lagunes à proximité immédiate des forets à végétation luxuriante.
2eme étape : La couche végétale ainsi constituée est recouverte par les eaux chargées de débris organiques. A la suite d’un affaissement du sol, les eaux viennent se décanter dans les dépressions.
3eme étape : Déposition du sédiment minéral alluvionnaire sur la couche végétale.
4eme étape : La fermentation de la bouillie végétale commence à l’abri de l’air. Au cours de cette fermentation, les sédiments végétaux s’enrichissent fortement en carbone et en hydrogène.
La réalisation de ce développement nécessite des conditions particulières telles que l’atmosphère humide, chaude et chargée en gaz carbonique, et des conditions géologiques. Ces conditions ont été très propices à la fin de l’ère primaire. Le charbon de terre est formé principalement de carbone et de l’eau. Les différents types de charbon selon leur mode de formation et leur composition sont :
La tourbe : C’est une matière de couleur noirâtre ou brune, due à l’accumulation peu compacte de végétaux dont l’état de décomposition est assez inégal. Elle a une teneur en eau très faible et possède une densité voisine de l’unité et une faible teneur en carbone. C’est un combustible imparfait, spongieux, très léger où l’on distingue encore des fibres végétales incomplètement transformées.
Le lignite : C’est une matière de couleur noirâtre et parfois franchement brune, issue de la transformation de débris ligneux poussés jusqu’à une sorte de gel colloïdale qui se forme en durcissant dans la matière fondamentale du lignite. Il a un aspect terne plus ou moins schisteux et friable. Il a un pouvoir calorifique moins élevé et par sa combustion, on n’obtient pas du coke mais une sorte de braise qui continue à brûler même quand la flamme est éteinte. Il s’allume facilement et brûle avec flamme et fumée noire avec odeur bitumineuse. C’est un charbon peu riche en carbone et en hydrogène, beaucoup plus fort que dans les tourbes. Il contient souvent de la pyrite qui dégage du gaz SO2 et du H2SO4. Sa teneur en eau est assez forte avec une densité plus faible que celle de la houille de 0,5 à 1,3. Sa teneur en matières volatiles est élevée, c’est-à-dire de plus de 50%.
La houille : C’est une matière de couleur noire de velours mat ou brillant, avec éclat résineux ou vitreux. Elle a subit une transformation plus poussée, et ne laisse pas apparaître de traces de végétaux visibles à l’œil nu. Elle brûle avec une flamme plus ou moins longue suivant la teneur en matières volatiles en laissant une masse brûleuse qui est le coke. Elle a une teneur en eau de 2 à 7% et de densité 1,2 à 1,5. Elle aune forte teneur en carbone et sa teneur en matières volatiles est plus faible que dans le lignite.
L’anthracite : Cette matière contient une très faible quantité de matières volatiles, qui est issue de la transformation métamorphique de la houille sous l’action de la pression et de la température. Elle a une densité plus forte, de l’ordre de 1,7, avec un pouvoir calorifique plus élevé. Elle est plus massive et plus homogène, sa dureté est grande et sa cassure brillante.
Les cannel coal : Ils sont flambés à l’air libre comme une chandelle. Ce sont des charbons formés presque entièrement par des spores.
Les boghead : Ils sont formés entièrement par des colonies d’algues unicellulaires, riches en hydrocarbures. Ils sont habituellement classés pour cette raison parmi les schistes bitumineux. [3] Les éléments constitutifs de base des charbons sont les mêmes, c’est-à-dire qu’il y a accumulation des débris végétaux dans un secteur de dépôts propice qui ont suivi une transformation de ces sédiments organiques sous trois formes :
– biochimique,
– physico-chimique,
– dynamique.
Cette transformation est toujours accompagnée par une action microbienne qui entraîne un enrichissement des sédiments organiques ou végétaux en carbone et en hydrogène et cela en milieu anaérobie. Il y a donc phénomène de fermentation entraînant une oxydation intramoléculaire libérant des produits d’oxydation à pouvoir énergétique nul, soit le CO2, soit le H2O. Le pouvoir énergétique de la matière organique augmente en fonction de cette libération. Le phénomène de fermentation durant la transformation intéresse la cellulose accompagnée de ses ciments (pectines , lignines). [4] La cellulose est dégradée dans le sol et les eaux par les innombrables cellulolytiques. La fonction cellulolytique est répartie dans de très nombreux groupes bactériens, ainsi que dans de nombreux groupes de champignons. L’activité cellulolytique de ces microorganismes est due à leurs cellulases, hydrolases constituées par deux composants : l’un C1 clive la cellulose en éléments à chaînes linéaires et l’autre Cx clive ces chaînes au hasard en produits solubles de faible poids moléculaire.
L’étude bactériologique de la formation de charbon a révélé un certain nombre de mécanismes enzymatiques dont les uns sont simples et les autres complexes. Ces mécanismes sont multiples. Il en reste un grand nombre à découvrir. On ne connaît pas encore toutes les espèces bactériennes qui entrent en jeu, ni toutes les sources de matières premières. Ceci implique la grande diversité des charbons et de leurs constituants. Le carbone de la houille est un carbone mal cristallisé [6] Son oxydation peut avoir lieu dès la température ordinaire Le carreau des mines des tas de charbon atteint une combustion spontanée. Mais quelles que soit les formes des carbones, ils possèdent néanmoins une très grande réactivité vis-à-vis de l’oxygène dans lequel ils brûlent en donnant du gaz carbonique aux températures peu élevées et du monoxyde de carbone à très haute température.
NATURE
La décomposition du charbon dépend de la température de fermentation. Il est donc difficile de donner une formule chimique bien définie. Certains chercheurs ont avancé des formules globales allant de C7H4O à C16H6O .
Lorsqu’on examine un bloc de charbon à l’œil nu, on constate qu’il s’agit d’une matière nettement stratifiée et formée par l’empilement de lits de nature différente. Ces matières sont au nombre de quatre et on les appelle respectivement : le fusain, le durain, le clarain et le vitrain.
Le fusain : C’est une substance mate, pulvérulente, tachant les doigts, formant des lentilles interstratifiées.
Le durain : C’est une substance dure, mate, à cassure grenue.
Le clarain : C’est une substance dure, brillante, à cassure lisse.
Le vitrain : C’est une substance tendre, homogène, fendillé, et à l’état vitreux.
Pour orienter le choix des charbons en fonction des usages auxquels on les destine, on retient généralement comme approche valable la teneur en matières volatiles et le pouvoir calorifique. Ces indications, suffisantes pour les emplois les plus courants du charbon, ne le sont pas pour les usages spécifiques. D’autres éléments d’appréciations doivent être connus : l’humidité, la perte au feu, le taux de cendre. Ainsi, le tableau de Gruner nous indique la classification suivant la teneur en matières volatiles.
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Table des matières
Introduction
1ére partie : Etudes bibliographique
Chapitre I : Rappels sur le charbon de terre
I-1 Définition
I-2 Origine et formation
I-3 Nature
I-4 Conclusion
Chapitre II : Valorisation possible du charbon de terre
II-1 Combustible solide
II-1-1 Combustible domestique
II-1-2 Production d’électricité
II-1-3 Production de chaleur industrielle
II-2 Cokéfaction
II-2-1 Définition
II-2-2 Procédé de cokéfaction
II-2-3 Four utilisé
II-2-4 Les différentes sortes de coke
II-2-4-1 Coke de fonderie
II-2-4-2 Coke chimique
II-2-4-3 Coke naturel
II-2-5 Procédés de moulage de coke
II-2-5-1 Opérations de base
a) Agglomération
b) Carbonisation
II-2-5-2 Principaux procédés industriels
II-2-6 Classifications des charbons cokéfiables et méthode préliminaire pour améliorer les caractéristiques du charbon à cokéfier
II-2-6-1 Classifications
II-2-6-2 Procédés préliminaires d’amélioration
II-3 Obtention de matières premières d’usage industriel
II-4 Synthèse des produits organiques d’usage industriel
II-4-1 Conversion direct
II-4-2 Conversion partielle
II-4-3 Conversion indirecte
Chapitre III : Les principaux gîtes de charbon découverts jusqu’à présents à Madagascar
III-1 Le gîte de lignite de la région de Sambaina
III-2 Le gîte de houille de région de Betioky dans le faritany de Toliary
Chapitre IV : Le charbon de Sakoa
IV-1 Nature
IV-2 Cadre historique
IV-3 Cadre géologique et géographique
2éme partie : Etude expérimentale
Chapitre I : Caractéristiques du charbon de terre de la Sakoa
I-1 Analyse de caractérisation
I-1-1 Echantillonnage
I-1-2 Densité
I-1-3 Humidité
I-1-4 Perte au feu
I-1-5 Matières volatiles
I-1-6 Teneur en cendre
I-1-7 Teneur en carbone fixe
I-1-8 Pouvoir calorifique
I-1-9 Récapitulation des résultats
Chapitre II : Essai de valorisation du charbon de terre de la Sakoa
II-1 Etude pratique de combustible fossile solide
II-1-1 But
II-1-2 Principe
II-1-3 Mode opératoire
II-1-3-1 Combustible domestique
II-1-3-2 Production de chaleur industrielle
II-1-4 Conclusion
II-2 Etude pratique de la cokéfaction
II-2 1 Manipulation
II-2-1-1 Préparation mécanique du charbon
II-2-1-2 Procédé expérimental de cokéfaction à extinction rapide
II-2-1-3 Procédé expérimental de cokéfaction à extinction lente
II-2-1-4 Procédé expérimental de cokéfaction à extinction lente mais amélioré
II-2-1-5 Obtention du coke moulé
II-2-1-6 Procédé de lavage du charbon de terre suivi de cokéfaction
II-2-2 Conclusion
3éme partie : Etude socio-économique
Chapitre I : Considérations relatives à l’environnement
I-1 Le problème de l’environnement
I-2 La solution au problème de l’environnement
Chapitre II : Etude de marché
II-1 Le ménage
II-2 Charbon de chaudière et four
II-2-3 L’importation de charbon de terre à Madagascar
II- 4 Conclusion
Conclusion
