10.1 Qualité du charbon de bois
10.2 Efficacité de la combustion
L'utilisation du charbon de bois sera d'autant plus profitable qu'il sera brûlé plus efficacement, et que sa qualité sera optimale pour l'usage auquel on le destine. La qualité du charbon de bois peut être définie et mesurée de diverses manières, qui découlent en général des exigences de telle ou telle utilisation. L'efficacité de l'utilisation signifie normalement le transfert d'une proportion maximale du pouvoir calorifique du charbon de bois à la matière à chauffer, qu'il s'agisse d'eau pour la cuisson des aliments, de l'air d'une pièce d'habitation, ou de la charge d'un haut-fourneau. Elle est conditionnée par l'emploi d'appareils de combustion appropriés.
10.1.1 Teneur en humidité
10.1.2 Matières volatiles autres que l'eau
10.1.3 Teneur en carbone pur
10.1.4 Teneur en cendres
10.1.5 Résultats d'analyses
10.1.6 Propriétés physiques
10.1.7 Pouvoir absorbant
Le marché le moins exigeant à l'égard de la qualité du charbon de bois est celui des combustibles ménagers. Les raisons en sont que le rendement de la combustion est difficile à mesurer, que le pouvoir des consommateurs individuels de définir et obtenir une bonne qualité de charbon de bois est très réduit, et enfin qu'il y a une certaine possibilité de compromis entre qualité et prix, dont le consommateur use pour satisfaire au mieux ses besoins. Cela ne veut pas dire, toutefois, qu'il ne vaille pas la peine d'effectuer un contrôle de qualité. A la condition qu'il ne perde pas son efficacité dans les méandres de la bureaucratie, un système de contrôle de qualité du charbon de bois peut permettre de tirer un rendement maximum des ressources ligneuses, tout en garantissant au consommateur ménager des résultats satisfaisants.
Les gros utilisateurs tels que l'industrie sidérurgique' en revanche, savent par expérience et par les résultats de leurs recherches quelles sont les caractéristiques qu'ils doivent rechercher dans le charbon de bois, et ont les moyens, par leurs possibilités d'achats concentrés et par leur maîtrise d'une partie au moins de leur propre production de charbon, de s'assurer que le charbon de bois qu'ils utilisent est bien conforme à leurs spécifications, et leur permet de produire de la fonte à un prix de revient minimum.
La plupart des spécifications qui interviennent dans le contrôle de qualité du charbon de bois proviennent de l'industrie sidérurgique ou de l'industrie chimique. Lorsque le charbon de bois est exporté, les acheteurs ont tendance à faire usage de ces normes de qualité industrielles, quand bien même le principal débouché de ce charbon serait le combustible à usage domestique ou le charbon pour barbecue. Ce fait ne doit pas être perdu de vue, en effet les exigences ne sont pas toujours identiques pour un usage industriel ou un usage domestique, et une appréciation judicieuse des exigences de qualité du marché réel peut permettre de fournir un charbon convenable à plus bas prix ou en plus grandes quantités, au bénéfice tant de l'acheteur que du vendeur.
La qualité du charbon de bois se définit par diverses caractéristiques, qui, bien que lices entre elles dans une certaine mesure, sont mesurées et évaluées séparément. Ces divers facteurs de qualité sont détaillés ci-dessous.
Le charbon de bois fraîchement défourné renferme très peu d'humidité, en général moins de 1%. L'absorption d'humidité provenant de l'atmosphère est rapide, et il se produit un gain qui même en l'absence de pluie peut au bout d'un certain temps porter la teneur en humidité à 5 ou 10%, même avec un charbon bien carbonisé. Lorsque la carbonisation est moins poussé, ou que des acides pyroligneux et des goudrons solubles lessivés par la pluie ont imprégné le charbon, comme cela peut se produire dans les charbonnières en meule ou en fosse, son hygroscopicité se trouve accrue, et la teneur en humidité d'équilibre peut s'élever jusqu'à 15% ou même davantage. L'humidité altère la qualité du charbon de bois, faisant baisser son pouvoir calorifique. Lorsque le charbon est vendu au poids, les commerçants malhonnêtes le mouillent souvent, ce qui augmente son poids sans guère affecter son volume et son aspect. C'est pourquoi les acheteurs en gros préfèrent acheter le charbon de bois soit au volume brut, soit au poids en déterminant la teneur en humidité par des essais de laboratoire et en ajustant le prix en conséquence. Dans le petit marché de détail, la vente se fait souvent par morceaux.
Il est pratiquement impossible d'éviter que le charbon ne soit mouillé accidentellement par la pluie au cours du transport, mais il est bon de le conserver sous abri même si on l'a acheté au poids, parce que l'eau qu'il contient doit être évaporée lors de la combustion, et représente une perte directe de pouvoir calorifique. En effet la vapeur d'eau produite s'échappe par le conduit de tirage, et il est rare qu'elle se condense en restituant sa chaleur de manière utile.
Les specifications de qualité pour le charbon de bois fixent généralement une limite de teneur en humidité, de l'ordre de 5 à 15% du poids brut. On détermine la teneur en humidité en séchant à l'étuve un échantillon de poids connu; on l'exprime en pourcentage du poids humide initial.
Un charbon de bois à forte teneur en humidité (10% ou plus) montre une tendance à se fragmenter et à former du poussier lorsqu'on le chauffe dans un haut-fourneau, et ne convient pas pour la production de fonte.
En dehors de l'eau, les matières volatiles contenues dans le charbon de bois comprennent tous les résidus liquides et goudronneux qui ne sont pas totalement éliminés lors de la carbonisation. Si celle-ci est prolongée et se fait à haute température, la teneur en matières volatiles est faible. Lorsque la température de carbonisation est peu élevée et que le temps de séjour dans le four est bref, cette teneur augmente.
Ces effets se traduisent dans le rendement en charbon à partir d'un poids donné de bois. A basse température (300° C) un rendement en charbon de bois proche de 50% est possible. A une température de carbonisation de 500° - 600° C la teneur en matière volatiles est plus faible' et un rendement de 30% avec un four-cornue est normal. A très haute température (de l'ordre de 1.000° C), enfin, la teneur en matières volatiles est voisine de zéro, et le rendement tombe à prés de 25%. Comme on l'a indiqué plus haut, le charbon de bois peut réabsorber les goudrons et l'acide pyroligneux lessivés par la pluie dans les charbonnières en fosse ou analogues; un charbon peut par conséquent avoir été bien carbonisé, mais avoir une teneur élevée en matières volatiles en raison de ce facteur. Il en résulte une variation supplémentaire de la qualité du charbon de bois fait en fosse sous un climat pluvieux. Les acides réabsorbés rendent le charbon corrosif et entraînent une pourriture des sacs en jute - fâcheuse lors du transport. En outre ce charbon ne brûle pas avec une flamme claire.
La teneur en matières volatiles du charbon de bois peut varier entre un maximum de 40% ou plus et un minimum de 5% ou moins. On la mesure en chauffant à l'abri de l'air un échantillon de poids connu de charbon sec à 900° C jusqu'à constance du poils. La perte de poids correspond aux matières volatiles. La teneur en matières volatiles est généralement spécifiée sans humidité.
Un charbon de bois à teneur élevée en matières volatiles s'enflamme facilement, mais brûle avec une flamme fumeuse, tandis qu'un charbon à faible teneur en matières volatiles sera difficile à allumer, mais brûlera avec une flamme claire. Un bon charbon de bois commercial doit avoir une teneur nette en matières volatiles (c'est-à-dire sans humidité) de l'ordre de 30%. Une teneur élevée en matières volatiles donne un charbon moins friable que le charbon ordinaire à carbonisation poussée et faible teneur en matières volatiles, et produisant par conséquent moins de poussier lors du transport et des manipulations. Il est également plus hygroscopique, et a donc une teneur en humidité d'équilibre plus élevée.
La teneur du charbon de bois en carbone pur varie entre un minimum de l'ordre de 50% et un maximum de l'ordre de 95%. Le charbon de bois est par conséquent composé principalement de carbone. La teneur en carbone est généralement estimée par différence, autrement dit on retranche de 100 les pourcentages de tous les autres constituants, et on admet que le reste est le pourcentage de carbone pur. La teneur en carbone pur est l'élément le plus important en métallurgie, étant donné que c'est lui qui est responsable de la réduction des oxydes de fer du mineral. Mais l'industriel doit faire un compromis entre la friabilité du charbon à haute teneur en carbone pur et la plus grande résistance du charbon à teneur plus faible en carbone pur, plus élevée en matières volatiles, de façon à obtenir la meilleure marche du haut-fourneau.
On détermine la teneur en cendres en chauffant au rouge un échantillon de poids connu, avec accès d'air de façon à brûler toutes les matières combustibles. Le résidu représente les cendres, qui se composent de matières minérales telles qu'argile, silice, oxydes de calcium et de magnésium, etc. présentes à l'origine dans le bois ou constituant des impuretés apportées par la terre au cours de la carbonisation.
La teneur en cendres du charbon de bois varie entre 0,5% environ et plus de 5%, selon l'essence, la proportion d'écorce introduite avec le bois dans le four ou la charbonnière, et l'importance des impuretés, terre et sable. Un charbon de bois en morceaux de bonne qualité aura normalement une teneur en cendres de l'ordre de 3%. Un charbon à l'état de poussier peut avoir une teneur en cendres très élevée, mais si on sépare par criblage les morceaux de plus de 4 mm on pourra trouver une teneur en cendres de 5-10%. Les acheteurs se méfient naturellement du charbon trop fin, qui est difficile à vendre - et aussi à utiliser, malheureusement.
Pour illustrer le degré de variation de la composition que l'on trouve dans le charbon de bois commercial, le tableau 7 présente des résultats d'analyses d'échantillons aléatoires de charbon provenant de différentes sortes de bois, avec diverses méthodes de carbonisation. En règle générale, tous les bois et tous les systèmes de carbonisation peuvent donner du charbon de bois entrant dans les limites des normes commerciales.
Le tableau 8 montre les variations de composition du charbon de bois entrant dans la charge des hauts-fourneaux d'une grande usine sidérurgique de l'Etat de Minas Gérais au Brésil. Tout le charbon est produit dans des fours en briques en ruche d'abeilles, à partir de bois d'essences mélangées de forêts naturelles de la région ou d'eucalyptus provenant de plantations.
Les chiffres extrêmes et les moyennes annuelles se rapportent à du charbon de bois utilisé par la société Belgo Mineira. Il s'agit d'un mélange comprenant 4-0% de charbon d'eucalyptus produit dans des fours exploités par la société, et 60% produit à partir de bois d'essences spontanées hétérogènes par des entreprises privées. La mention "bon à excellent" se rapporte au charbon d'eucalyptus produit dans les fours de la société.
Tableau 7 Quelques compositions caractéristiques de charbon de bois
Tableau 8. Caractéristiques de charbons de bois destinés à la sidérurgie
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Composition physique et chimique du charbon (par rapport au poids sec |
Extrêmes |
Moyenne annuelle |
Charbon de bois considéré comme "bon à excellent" |
|
|
Max. |
Min. |
|||
|
Carbone |
80% |
60% |
70% |
75 - 80 % |
|
Cendres |
10% |
3% |
5% |
3 - 4 % |
|
Matières volatiles |
26% |
15% |
25% |
20 - 25 % |
|
Densité apparente à la réception (kg/m3) |
330 |
200 |
260 |
250 - 300 |
|
Densité apparente (charbon sec) |
270 |
180 |
235 |
230 - 270 |
|
Taille moyenne (mm) à la réception |
60 |
10 |
35 |
20 - 50 |
|
Teneur en poussier (- 6,35 mm) à la réception |
22% |
10% |
15% |
10 % max. |
|
Teneur en humidité a la réception |
25% |
5% |
10% |
10 % max. |
Les caractéristiques décrites jusqu'ici se rapportent aux propriétés chimiques, mais les caractéristiques physiques, notamment pour le charbon de bois industriel, ne sont pas moins importantes. C'est surtout dans la sidérurgie au charbon de bois qu'elles ont une grande importance. Le charbon de bois est la plus coûteuse des matières premières qui entrent dans la charge des hauts-fourneaux. Ses propriétés physiques influent le rendement du haut-fourneau, tandis que la composition chimique est plus en relation avec la quantité de charbon nécessaire pour produire une tonne de fer ("mise au mille"), et avec la composition de la fonte ou de l'acier obtenus (1).
Le charbon de bois sidérurgique doit avoir une bonne résistance à la compression pour résister à l'effort d'écrasement dans la charge du haut-fourneau. Cette résistance à la compression, qui est toujours moindre pour le charbon de bois que pour son rival, le coke métallurgique produit à partir de la houille, détermine la hauteur pratique et par suite la capacité de production et le rendement du haut-fourneau. La résistance à la fragmentation au cours des manipulations est importante pour maintenir une perméabilité constante de la charge au "vent chaud", indispensable pour garantir le rendement et la régularité de marche du haut-fourneau.
Différents essais ont été mis au point pour mesurer la résistance à la fragmentation, propriété malaisée à définir de manière objective. Ces essais reposent sur la mesure de la résistance du charbon de bois à la rupture ou à la fragmentation, en laissant tomber un échantillon d'une certaine hauteur sur une plaque métallique, ou en le secouant dans un tambour pour déterminer la diminution de taille des morceaux après un temps donné. Le résultat est exprimé en pourcentage de morceaux passant ou non à travers des tamis de différentes mailles. Un charbon peu résistant à la fragmentation donnera aux essais un plus fort pourcentage de poussier. Celui-ci est indésirable dans les hauts-fourneaux, du fait qu'il contrarie le courant d'air ascendant. Un charbon fragile peut aussi s'écraser sous le poids de la charge, et provoquer des obstructions.
Le charbon de bois est une matière première importante pour la fabrication de charbon activé. Ce produit sort du cadre du présent manuel, mais il peut être utile de donner à son sujet quelques indications, à l'intention des producteurs de charbon de bois qui le vendent à des usines spécialisées pour y être transformé en charbon activé.
Tel qu'il est normalement produit, le charbon de bois n'est pas une matière adsorbante très active vis-à-vis des liquides ou des vapeurs, parce que sa structure fine est obstruée par des résidus goudronneux. Pour le convertir en charbon "actif", il faut ouvrir cette structure en éliminant les goudrons. La méthode la plus employée à l'heure actuelle consiste à chauffer le charbon brut pulvérisé au rouge sombre dans un four, dans une atmosphère de vapeur d'eau surchauffée. Celle-ci empêche le charbon de brûler en excluant l'oxygène. En même temps les goudrons volatils se distillent et sont entraînés par la vapeur, laissant une structure poreuse ouverte. Le charbon traité est transféré dans des récipients étanches, où on le laisse refroidir. Les fours à charbon activé fonctionnent généralement en continu, c'est-à-dire que le charbon pulvérisé tombe en cascade ininterrompue à travers le four dans l'atmosphère de vapeur.
Après activation le charbon est soumis à des tests de qualité pour déterminer son pouvoir de décolorer par absorption des solutions aqueuses telles que jus de sucre brut, rhum, etc., des huiles végétales, et d'adsorber des solvants tels qu'acétate d'éthyle en vapeur dans l'atmosphère. Le pouvoir adsorbant tend à être spécifique; certaines qualités de charbon activé conviennent pour les solutions aqueuses, d'autres pour les huiles, ou pour les vapeurs. Les tests permettent de mesurer ce pouvoir adsorbant On constate de légères différences dans le charbon activé produit à partir de charbons bruts de différentes origines, mais en règle générale tous peuvent être utilisés s'ils sont convenablement traités. Un bon charbon de bois pour l'obtention de charbon activé est celui fait à partir d'Eucalyptus grandis dans des fours en briques.
Le charbon activé destiné à l'absorption des gaz et vapeurs est en général fait à partir de charbon de coques de noix de coco. Ce charbon a un pouvoir absorbant élevé, et il n'a pas tendance à se pulvériser dans les appareils d'absorption, ce qui est un facteur très important.
Ayant un charbon de bois de bonne qualité, il faut encore le brûler efficacement pour en obtenir les meilleurs résultats. Cela est particulièrement vrai en usage domestique, où passe la plus grande partie du charbon de bois. Les fours industriels qui brûlent du charbon de bois, tels que hauts-fourneaux, cubilots, fours de frittage, etc. sont en général bien conçus, et fonctionnent efficacement; nous n'en parlerons pas ici. Le principal usage domestique du charbon de bois dans le tiers monde est le chauffage de l'eau, soit pour la cuisson des aliments soit pour avoir de l'eau chaude pour le lavage 9 etc. Certains aliments sont cuits par chauffage direct et non bouillis dans l'eau, tels que mais grillé, viande rôtie, etc. Un système de cuisson aurait un rendement de 100% si toute la chaleur produite par la combustion était absorbée par l'aliment à cuire. En pratique c'est loin d'être le cas. Un rendement normal pour un appareil de cuisson bien conçu et bien utilisé serait de l'ordre de 30%, c'est-à-dire que 70% de la chaleur s'échappe en pure perte. Dans un climat froid' une partie de cette chaleur perdue peut être récupérée pour chauffer l'air de la pièce, remplissant ainsi une fonction utile qui accroît l'efficacité globale.
En théorie, il est possible d'améliorer le rendement du transfert de chaleur du charbon de bois en combustion aux aliments à cuire, en accroissant le coût et la complexité de l'appareil de cuisson, mais c'est rarement réalisable en pratique. Ceux qui pourraient se le permettre ne brûlent généralement pas du charbon de bois, mais utilisent des combustibles plus commodes d'emploi, ou socialement plus prestigieux. Il faut réaliser un compromis qui procure le meilleur rendement possible, compatible avec un matériel de cuisson suffisamment simple et bon marché pour pouvoir être utilisé par la masse des usagers. Le charbon de bois, à la différence du bois, transmet une bonne part de sa chaleur de combustion au récipient de cuisson par radiation des braises incandescentes. Un feu de bois, dans lequel les gaz chauds sont produits par de longues flammes paresseuses, doit transmettre une grande partie de sa chaleur par convention. Pour cela, les gaz chauds doivent être en contact direct avec la marmite, tandis que la chaleur radiante est transmise par les radiations infrarouges émises directement par le foyer et absorbées par la surface de la marmite ou autre ustensile. La marmite doit par conséquent être en "vue directe" du foyer pour pouvoir recevoir et absorber l'énergie calorifique radiante. Sa surface joue un rôle important; elle doit de préférence être noir mat. La marmite elle-même doit également être bonne conductrice de la chaleur.
L'aluminium mince, noirci par le feu est probablement l'idéal, la terre cuite épaisse, de faible densité, le moins bon. Une marmite noirci par le feu ne doit pas être polie extérieurement; on doit seulement enlever les couches de suie peu adhérente et de goudron pâteux qui se déposent à sa surface.
Le charbon de bois réagit avec l'oxygène de l'air à la température du rouge incandescent pour former du monoxyde de carbone incolore, qui brûle alors avec une flamme bleue en se combinant avec une quantité supplémentaire d'oxygène de l'air pour former du dioxyde de carbone ou gaz carbonique. Par suite de la chaleur libérée par ces deux réactions, le charbon devient rouge incandescent et rayonne de l'énergie thermique, et le gaz chaud de dioxyde de carbone sort de la zone de combustion, en cédant par convention une partie, que l'on souhaite la plus grande possible, de sa chaleur par contact direct avec le récipient de cuisson. La température des gaz s'abaisse lors de ce transfert de chaleur, et ils se dissipent dans la pièce. On n'emploie généralement pas de cheminée avec le charbon de bois, du fait que sa combustion est relativement inodore et sans fumée par comparaison avec le bois ou avec le charbon minéral. Le charbon de bois en brûlant peut dégager du monoxyde de carbone non brûlé; c'est un gaz très toxique, et il est indispensable de ventiler les pièces dans lesquelles on brûle du charbon de bois.
Le fait que le charbon de bois peut être brûlé dans un fourneau portable compact, n'exigeant pas de cheminée, est l'un de ses principaux atouts, et explique sa popularité universelle, notamment dans les zones urbaines. Bien qu'il soit préférable pour un pays, d'un point de vue de rendement énergétique global, de chercher à utiliser de la façon la plus efficace possible du bois pour la cuisson des aliments plutôt que de le convertir auparavant en charbon, c'est une politique qui est difficile à appliquer. Pour la plupart des gens qui utilisent à l'heure actuelle du charbon de bois, il est difficile de se convertir au bois. Un fourneau à bois avec une cheminée coûte cher; le corps du fourneau peut être fait en terre glaise et ne rien coûter, mais un tuyau de cheminée en métal peut coûter 10 dollars ou plus. Pour des gens qui vivent à l'étroit dans des immeubles urbains, l'installation de cheminées peut être impossible, et l'absence de pollution du charbon de bois l'impose dans ce cas comme combustible.
Les caractéristiques importantes que l'on note sur les appareils de combustion à charbon de bois domestiques bien conçus et efficaces peuvent être résumées comme suit:
(i) Le charbon de bois doit être en "vue directe" du récipient qu'il chauffe, et en être le plus près possible. Les parois du foyer ne doivent pas être au contact direct du charbon enflammé. Cela suppose un espace de combustion plus ou moins en forme de cône inversé faisant un angle intérieur de 80-90, le foyer étant situé au sommet du cône.(ii) Le corps du fourneau doit être fait en matériel réfractaire, non métallique, insensible à des températures de l'ordre de 1000°C, et constituer un bon isolant thermique afin de ne pas dissiper la chaleur du foyer. Un bon matériel est une terre cuite poreuse blanche, de façon à mieux réfléchir la chaleur sur la marmite. Le corps du fourneau doit pouvoir être remplacé sur son bâti, de façon à diminuer les coûts d'entretien. Un corps de fourneau moins coûteux et plus ou moins satisfaisant peut être confectionné en tassant dans un moule en bois un mélange plastique composé de 60% d'argile, 20% de sable et 20% de poussier de charbon de bois, et en le laissant sécher; bien que moins durable que la terre cuite, il est peu coûteux.
(iii) Le foyer conique doit comporter sur sa surface quatre rainures d'environ 30 mm de large et 4 mm de profondeur, qui servent de conduits pour permettre aux gaz chauds de s'échapper même au cas où la marmite s'ajusterait hermétiquement sur le cône.
(iv) La grille doit être en tôle d'acier, avec des trous de clou de 3 mm espacés de 1x1 cm environ.
(v) Le bâti du fourneau, qui peut être fait avec de la tôle de récupération, doit avoir des pieds qui laissent un espace de 4-5 cm entre le fond du corps en terre et le sol. Un bac en tôle de récupération est placé en dessous pour recevoir les cendres chaudes, de sorte que le fourneau puisse être posé sur n'importe quelle surface sans créer de risque d'incendie
Le modèle illustré fig. 12 n'est qu'un exemple parmi beaucoup d'autres, mais tous les bons modèles de fourneaux à charbon de bois respectent les principes énumérés ci-dessus. Il est bon de souligner que l'objectif à rechercher est un maximum d'efficacité pour un coût minimum, sinon l'appareil ne sera pas utilisé.
Fig. 12 Réchaud à charbon de bois bien conçu
1. Marmite ronde
2. Conduits de sortie des gaz brûlés dans le corps du réchaud
3. Enveloppe extérieure en tôle de récupération
4. Bac à cendres en tôle de récupération
5. Grille perforée en tôle de récupération
6. Corps en terre cuite blanche ou mélange argile - sable - poussier
7. Charbon enflammé
