par FRED C. SIMMONS, fonctionnaire forestier de la FAO
M. FRED C. SIMMONS collabore actuellement à un projet du Fonds spécial dos Nations Unies au Chili.
Dernières améliorations apportées aux installations et aux méthodes de carbonisation
EN 1955, L'ORGANISATION des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture publia sous le titre ci-dessus un bulletin de 116 pages préparé par le professeur Savard et M. Coudreau du Centre technique forestier tropical de Nogent-sur-Marne (France). Il étudiait de façon détaillée les méthodes de production du charbon alors en usage, notamment en Europe et en Amérique du Nord. Il traitait aussi de la théorie de la carbonisation du bois et de la récupération des sous-produits ainsi que des rendements donnés par les différentes méthodes avec des essences très variées.
Depuis 1956, un certain nombre d'améliorations ont été apportées aux possibilités et aux méthodes de production du charbon de bois. Elles sont surtout apparues en Amérique du Nord où le marché du charbon de bois a bénéficié d'un accroissement spectaculaire et où, en conséquence, l'intérêt s'est considérablement accru pour des méthodes plus efficaces de préparation de ce produit.
Les nouvelles techniques que nous allons étudier ici sont les suivantes:
1. Création de plusieurs nouveaux modèles de fours construits en maçonnerie (béton, parpaings de mâchefer et briques).2. Méthode simple et peu coûteuse pour déterminer les températures dans les diverses parties de ces fours au cours de la carbonisation, ce qui permet de contrôler plus efficacement le processus de la carbonisation.
3. Plusieurs types nouveaux de cornues verticales à efficacité élevée conçues pour obtenir avec un rendement maximum du charbon de bois uniforme et de haute qualité, particulièrement à partir des déchets de scierie (croûtes, délignures et chutes) et avec un minimum de main-d'œuvre.
4. Nouvelles méthodes pour carboniser de menus déchets de bois (sciures et copeaux) et pour faire des briquettes avec le charbon obtenu.
Pratiquement, toutes les innovations récentes ont trait à la production du charbon de bois de feuillus, dont le charbon dense non friable est préféré sur le marché. Et toutes les nouvelles installations des Etats-Unis et du Canada sont conçues pour produire le seul charbon de bois, sans aucun effort pour récupérer des sous-produits tels que l'alcool méthylique, l'acide acétique et les goudrons de bois. Ces sous-produits primaires de la carbonisation peuvent maintenant être obtenus synthétiquement et sont beaucoup moins chers et plus purs que les produits naturels. Six seulement des usines de distillation du bois des Etats-Unis essaient actuellement de récupérer des sous-produits et ces sociétés se sont limitées à des marchés spéciaux, tels que la production de l'alcool méthylique utilisé pour dénaturer l'alcool éthylique. Ces marchés spéciaux sont fréquemment saturés. Les autres usines de distillation du bois et un certain nombre d'installations plus récentes utilisent le goudron de bois et les gaz produits par la carbonisation comme une source supplémentaire de combustible nécessaire à la production du charbon de bois.
Des essais sont, cependant, en cours dans beaucoup d'universités et autres instituts de recherches pour découvrir des éléments particulièrement intéressants parmi les sous-produits de la carbonisation ou des méthodes plus efficaces pour obtenir ces derniers et rendre à nouveau certains d'entre eux commercialisables.
Les conditions d'exploitation et de transport existant aux Etats-Unis et le coût élevé de la main-d'œuvre donnent actuellement une grande vogue aux fours en maçonnerie dont le prix est relativement bas, et ils sont utilisés sur une grande échelle. Parmi les modèles existants il faut particulièrement citer: les fours en agglomérés de mâchefer, les fours de brique en forme de ruche et les fours en béton coulé.
LES FOURS EN AGGLOMÉRÉS DE MÂCHEFER
Les fours en maçonnerie les plus en vogue aux EtatsUnis, du moins d'après leur nombre, sont les fours rectangulaires en agglomérés de mâchefer (fig. 1). Ils furent conçus à l'origine pour répondre à une nécessité urgente, pendant la pénurie d'acier, au cours de la seconde guerre mondiale, par MM. Hickock et Olsen, à la Connecticut Agricultural Experiment Station, New Haven (Connecticut). Les plans et spécifications du projet initial¹ concernaient de très petits fours de ce type, d'une capacité de 1 à 2 cords2 (2,12 à 4,24 m³ de bois rond). Les résultats furent si satisfaisants qu'on a bientôt augmenté les dimensions du prototype et la plupart des fours de ce type construits par la suite ont une capacité allant de 7 à 20 cords (14,'34 à 42,4 m³ de bois rond) avec un accroissement corrélatif de l'efficacité et du rendement.
¹ Connecticut Agricultural Experiment Station. Bulletin 519.
² 1 cord de bois de feu = 3,65 m³.
Les fours en maçonnerie les plus faciles d'emploi, les plus économiques et les plus efficaces sont encore ceux qui comportent une unique paroi épaisse de 8 inches (20 cm) de parpaings de béton de mâchefer de haute qualité et hydrofugés. Les parois sont montées au mortier de chaux. On a essayé, sans succès, de réaliser des fours autoisolés de ce type, à, doubles parcis, I'intervalle entre ces dernières étant rempli de sable ou d'argile. Les principales causes de cet échec sont, l'impossibilité pratique d'obturer les fentes qui peuvent apparaître sur le mur intérieur et d'obtenir l'homogénéité de la matière d'isolement disposée entre les parois. Pour le four à simple paroi, il est facile de localiser les fentes par les fuites de vapeur ou de gaz et de les obturer avec de l'argile ou du mortier
FIGURE 1. - Fours de 9 cords en agglomérés de mâchefer près de Warrensburg, N. Y. (Etats-Unis).
FIGURE 2. - Four en parpaings de mâchefer avec portes en plaques d'acier.
Plusieurs modifications ont été apportées au plan de ces fours lorsqu'ils ont été construits en plus grandes dimensions. A l'avant, l'ouverture destinée au chargement et au déchargement est maintenant souvent fermée par une ou deux plaques métalliques, fixées par des boulons ou des crochets, et non pas murée avec des parpaings de mâchefer, comme il était prévu à l'origine (fig. 2). Les ouvertures, surtout lorsqu'elles sont assez grandes pour permettre le passage d'un chariot élévateur nécessitent la construction d'un linteau très solide. Des poutrelles en U, assemblées, remplies de ciment et renforcées par une armature métallique peuvent être utilisées mais il est préférable d'utiliser un linteau fait spécialement en ciment et mâchefer armé de tiges ou de fils d'acier. On a également utilisé avec succès des linteaux en poutrelles d'acier. Les portes elles-mêmes sont le plus souvent faites d'une feuille d'acier laminé à chaud, suspendue à un monorall supérieur. Pendant le fonctionnement, la fermeture de la porte est assurée par des joints en laine de verre additionnée de mortier.
Les fours de grandes dimensions sont généralement protégés par un toit en tôle ondulée reposant sur des traverses en métal ou en bois (fig. 3). Des tiges de fer partant des traverses passent à travers les plaques d'acier qui recouvrent la partie supérieure du four; se terminant en forme de crochet, elles maintiennent les tubes métalliques qui supportent les plaques. Les trous pratiqués pour le passage de ces tiges sont obturés hermétiquement avec de la laine de verre; il est ensuite nécessaire de recouvrir le dessus du four avec une couche de sable de 2 à 4 inches (5 à 10 cm) pour le rendre étanche à l'air. Afin de régler le tirage au moment de l'allumage, quatre ouvertures de 8 à 10 inches (20 à 25 cm) de diamètre, deux près de la porte et deux autres près de la cheminée, doivent être prévues. Ces ouvertures, le moment venu, seront obturées par des plaques métalliques, maintenues alors en place par la couche de sable. On a essayé d'utiliser plusieurs cheminées au lieu d'une cheminée de gros diamètre, montée sur une boîte de tirage enterrée à l'arrière du four (fig. 4). Les résultats n'ont pas montré que cela représentait un avantage.
Presque tous les utilisateurs qui ont procédé avec succès à des modifications arrivent à peu près au même résultat. La plupart suivent d'assez près la méthode mise au point par Charles Grothe, propriétaire-directeur de Heartwood Products, Warrensburg (N.Y.), qui installe ses fours de 9 cords (19,08 m³ de bois rond) comme il a été décrit précédemment, sur un sol rocheux de préférence.
Pour le chargement du four, les déchets de scierie sont empilés sur un quadrillage de bois rond d'environ 4 inches (10 cm) de diamètre, jusqu'à 18 inches (45 cm) environ de la porte. Dans l'espace vide ainsi ménagé, on dispose les matériaux destinés à l'allumage: ils comprennent du bois sec, des «fumerons» ou «incuits³» provenant des fournées antérieures, du papier et des chiffons imbibés de pétrole, etc. Puis on ferme les portes en laissant ouverts, pour activer la combustion, un orifice à la partie inférieure de la porte ainsi que les quatre ouvertures aménagées sur la surface supérieure. On laisse brûler librement les bois d'allumage pendant environ 30 minutes, puis on obture les orifices supérieurs, d'abord ceux situés à l'avant, et un peu plus tard ceux de l'arrière. La fumée et le feu doivent ainsi se frayer un chemin au travers du chargement et se diriger vers l'arrière jusqu'à l'entrée de la cheminée. Tous les évents de prise d'air sur les côtés du four sont obturés avec de l'argile, à l'exception des deux qui sont les plus proches de la porte. Quand on aperçoit la braise incandescente par les orifices, on les ferme et on ouvre les deux suivants en allant vers l'arrière du four. La carbonisation progresse ainsi de l'avant à l'arrière, grâce à l'ouverture et à la fermeture successives des évents latéraux, jusqu'à ce que, enfin, l'arrière rougisse à son tour. A ce stade, la carbonisation est terminée; le four est alors fermé hermétiquement pour le refroidissement. On laisse encore la cheminée ouverte pendant une heure après la fermeture des deux derniers évents, pour permettre l'évacuation des gaz chauds, puis on la ferme hermétiquement à son tour. La carbonisation dure normalement, pour un four de 9 cords (19,08 m³), 48 heures environ.
3 Bois partiellement carbonisé.
FIGURE 3. - Face inférieure du plafond en plaques d'acier montrant les supports des tubes.
FIGURE 6. - Nouvelle graduation pour convertir le microampèremètre en pyromètre.
Bien entendu de nombreuses modifications peuvent être apportées à cette méthode de carbonisation suivant les particularités de chaque four, le degré d'humidité du chargement, la direction et la vitesse du vent, la température et l'humidité de l'air extérieur. Dans certains cas, il est nocessaire d'obturer l'un des évents du côté exposé au vent, pour empêcher la combustion du chargement, ou de l'obturer partiellement par une chicane. Dans d'autres cas, c'est l'inversion du tirage dans la cheminée qui cause des perturbations et, là encore, il faut ménager une chicane. Lorsqu'une fente se produit dans les murs ou autour de la couverture du four, il est indispensable de l'obturer immédiatement pour prévenir une entrée d'air massive qui risquerait de causer la combustion totale d'une partie du chargement et même de provoquer une explosion.
Parmi les éléments qui peuvent contribuer à la réussite d'une carbonisation, l'un des plus intéressants est l'installation simple et peu coûteuse d'un pyromètre et d'un thermocouple, installation mise au point par Ralph Peter (United States Forest Service, Southeastern Forest Experiment Station, Athens [Georgie])4.
4 U.S. Forest Service. Southeastern Forest Experiment Station. Paper 73.
Le pyromètre est constitué d'un microampèremètre à courant continu, gradué de 0 à 25, ayant une résistance intérieure de 2 200 ohms. Aux Etats-Unis, cet instrument coûte environ 20 dollars. Les thermocouples sont constitués d'un câble à fils fer-constantan accouplés, avec isolation par amiante et enveloppe d'acier inoxydable. (Je câble à deux fils, de calibre 16 à 18, vaut, aux Etats-Unis, de 28 à 30 cents le foot (environ 1 dollar le mètre courant), et n'est utilisé que pour la partie intérieure de l'installation, comme le montre la figure 55. En dehors du four, on peut utiliser un câble à fils couples fer-constantan de calibre 24, de prix plus bas, isolé de l'air par une gaine de polyvinyle. Ce câble vaut à peu près 3 cents le foot (10 cents le mètre courant).
5 Prière de noter que les dimensions portées sur les figures sont indiquées en feet et en inches. 1 foot = 30 cm; 1 inch= 2.5 cm.
Voici comment est réalisée l'installation. On fabrique pour le microampèremètre une graduation (fig. 6), en degrés Fahrenheit, ou en degrés centésimaux. L'instrument est alors fixé dans une boîte (fig. 7). Un court tronçon de câble de constantan est relié à la borne positive de l'appareil et connecté à un câble de fer, par un contact intermédiaire de référence (à La température ambiante), comme le montre la figure. Un morceau plus long de câble de constantan est relié à la borne négative de l'appareil. Les deux conducteurs sont relies à des bornes de liaison derrière la boîte. On peut alors connecter un câble partant de l'un quelconque des thermocouples intérieurs à ces bornes de liaison, en s'assurant que chaque fil, suivant sa nature, est bien relié à la borne convenable. Le câble va jusqu'à la partie supérieure du four, où il est réuni au fil convenable du câble du thermocouple traversant la couverture au point où l'on veut connaître la température. Cet assemblage se fait de la façon suivante: l'extrémité du câble du thermocouple est débarrassée de son isolant sur les deux derniers inches (5 cm) environ et les deux fils sont torsadés ensemble et soudés à leur extrémité.
FIGURE 7. - Disposition des fils la soudure de référence.
On a constaté qu'il faut cinq thermocouples pour assurer un bon contrôle de la carbonisation d'un four de 9 cords (19,08 m³). Trois sont disposés dans le sens de la largeur, vers le centre, près de la couverture, comme le montre la figure 5, et les deux derniers dans le sens de la longueur, au centre du four et juste au-dessus du débouché de la cheminée vers l'arrière. De ces deux derniers thermocouples, celui du centre est à peu près à mi-distance entre la sole et la couverture, celui descendant près de l'ouverture de la cheminée à environ 2 feet (61 cm) au-dessus de la sole. Au début de la combustion, après l'allumage, la température peut atteindre 1 200 à 1 400°F (648 à 760°C) au thermocouple n° 1.
Il ne faudrait pas que des températures si élevées persistent plus de 10 ou 15 minutes, et encore seulement si la couverture du four est métallique. Après la fermeture des évents de la couverture et de l'orifice d'allumage, on règle les températures en manœuvrant et en fermant une partie des évents de prise d'air disposés au bas des parois latérales du four. Il faut qu'à ce stade la température soit retombée à environ 950°F (500°C) au thermocouple n° 1. Il faut obtenir en un temps relativement court la même température aux thermocouples nos 2 et 3, et un peu après, au thermocouple n° 4. Quand la température atteint 850 °F (450 °C) au thermocouple n° 5, la carbonisation est presque achevée. Il faut maintenir cette température pendant environ une heure, puis obturer hermétiquement le four, y compris la cheminée, pour le refroidissement.
Quelques utilisateurs ont employé avec un certain succès un échangeur de température (fig. 8) pour réduire la durée du refroidissement. Cet appareil consiste en deux ou trois fûts à essence métalliques de 55 gallons (208 litres) soudés les uns aux autres. Les joints de la tubulure reliant l'échangeur et la cheminée et ceux de la tubulure reliant l'échangeur et l'intérieur du four sont obturés hermétiquement pour qu'il n'y ait aucune fuite d'air dans l'installation. Il faut installer dans la tubulure un ventilateur résistant aux hautes températures (comme ceux utilises dans le chauffage à air chaud) très bien ajusté. Les gaz inertes demeurés dans le four à la fin de la combustion doivent traverser l'échangeur de température pendant le refroidissement. Quelques utilisateurs déclarent avoir réussi à ramener la durée du refroidissement du four de 9 cords (19,08 m³) de six à trois jours par l'installation et l'emploi de ce dispositif.
FIGURE 9. - Fours à briques et tuiles transformés pour la pro duction du charbon de bois.
FIGURE 10. - fours du type ruche de 90 cords.
Aux Etats-Unis, ces fours, même groupés en batteries de trois à dix unités, ne peuvent concurrencer économiquement, sur les mêmes marchés, les installations de plus grande capacité. Par tonne de charbon produite, les dépenses de main-d'œuvre, d'entretien et d'autres frais sont si importantes que la production ne peut être vendue que localement, souvent directement aux consommateurs, à des prix relativement élevés. Heureuse ment le charbon en vrac est une matière si volumineuse, et sa manutention si difficile, que les petits producteurs peuvent concurrencer sur les marchés locaux les producteurs dont les prix de revient sont -plus bas mais qui sont installés à grande distance.
LES FOURS DE BRIQUE EN FORME DE RUCHE
Beaucoup d'installations commerciales utilisent donc des fours de plus grandes dimensions.
Nombreux sont les grands fours en brique du type ruche, construits initialement pour la cuisson des briques et des tuiles, qui ont été convertis en vue de la fabrication du charbon (fig. 9). Ils reçoivent en général de 30 à 90 cords (63,6 à 190,8 m³) de bois. Quand la matière première est constituée de déchets et délignures de scierie, la production est de 10 à 30 tonnes de charbon par chargement. S'il s'agit de bois feuillu dense, le rendement est augmenté de 20 % environ. Le cycle entier, comprenant le chargement, la carbonisation, le refroidissement et le déchargement, s'étend généralement sur 20 jours à un mois.
FIGURE 11. - Le chargement du bois dans le transporteur avec le godet d'un chariot élévateur.
Par exemple, le schéma type de l'opération pour un four de 90 cords comprend 4 jours pour le chargement, 7 jours pour la carbonisation, 12 jours pour le refroidissement et 6 jours pour le déchargement (fig. 10). L'effectif convenable pour le fonctionnement d'une batterie de cinq fours à marche échelonnée se compose de cinq hommes, y compris le chef d'équipe, si le chargement est conditionné en sacs de 20 à 30 pounds (10 à 15 kg). Bien entendu, le chef carbonisateur doit être un spécialiste.
Le fonctionnement de certains fours du type ruche a été mécanisé pour réduire la main-d'œuvre, améliorer l'homogénéité et la qualité du charbon et restreindre la durée de l'ensemble de l'opération.
Par exemple, il est possible, avec des bois coupés en petites longueurs (12 à 16 inches, soit 30,5 à 40,6 cm), et un empilage en vrac et sans précaution, d'arriver à un chargement aussi dense qu'en empilant à la main et avec soin des bois plus longs. On utilise pour cela un transporteur à chaîne, actionné par un moteur, montant les bois du sol jusqu'au-dessus d'une ouverture pratiquée dans la partie supérieure du four. Au bas du convoyeur, les bois de petites longueurs tombent d'un godet monté à l'avant d'un chariot élévateur dans une trémie (fig. 11). Le convoyeur monte les bois au-dessus du four, où ils tombent par l'ouverture et se mettent d'eux-mêmes en place à l'intérieur. Il est ainsi possible de ramener la durée du chargement de quatre jours à un jour, et l'effectif de l'équipe de chargement de cinq à deux hommes.
Parallèlement, on réduit la durée de carbonisation en allumant le chargement grâce à un brûleur à gaz ou un lanceflamme aboutissant au centre de la partie inférieure du four et grâce à un ventilateur aspirateur situé près de la cheminée. Ce dernier aspire les gaz venant des différentes parties autour du four où sont situés les évents. Un pyromètre, relié à des thermocouples disposés en différents points à l'intérieur du four, aide l'opérateur à régler la progression de la carbonisation en lui indiquant à quel moment il faut fermer partiellement ou totalement les différents évents latéraux.
Pour autant que l'on sache, il n'existe pas encore de procédé parfait pour réduire la durée du refroidissement. On a, maintes fois, essayé d'y parvenir soit en faisant circuler un gaz inerte froid à travers le charbon chaud, soit en envoyant dans le four de l'eau pulvérisée en brouillard ou à l'état de vapeur. Mais ces deux méthodes peuvent causer des explosions, et la deuxième a de grandes chances d'humidifier une partie du charbon, ce qui diminue sa qualité.
On a réussi, dans de nombreux cas, à mécaniser le déchargement. L'un des meilleurs procédés consiste à utiliser pour l'enlèvement du charbon le même chariot élévateur à godet que celui mentionné précédemment. une fois sorti du four, le charbon est transporté à la trémie d'un concasseur, ou, dans le cas de la fabrication de briquettes, à la trémie d'un appareil qui le réduit en poussier.
L'emploi de ces procédés ramène la durée totale du cycle d'un four de 90 cords (190,8 m³) d'un mois à 20 jours, dont plus de la moitié est employée au refroidissement. Il est encore plus important que l'effectif nécessaire à la mise en œuvre d'une batterie de cinq fours soit ramené de cinq à deux ouvriers, et le rendement un peu amélioré (l'emploi du ventilateur réduit sensiblement la quantité de fumerons et incuits restant à la base du chargement). En définitive, deux hommes produisent environ 7,5 tonnes de charbon par jour.
Au Canada, dans la Province de Québec, fonctionnent des fours du type ruche de dimensions beaucoup plus petites. Ils ont une capacité de 12 à 15 cords (25,44 à 31,8 m³). Le cycle de fabrication s'étend généralement sur 10 à 15 jours, et les rendements sont comparables à ceux obtenus avec les grands fours en briques. La construction et le fonctionnement de ces petits fours du type ruche en brique ont été décrits par le professeur Joseph Risi, de l'Université Laval (Québec).
FIGURE 12. - Four à charbon du type Mis souri.
FOURS EN BÉTON COULÉ
Mais la plupart des fours récents de grande dimension sont construits en béton sur place. (Je mode de construction est en effet généralement moins cher et plus rapide que la maçonnerie de briques et demande moins de spécialistes. L'un des types de four en béton le plus répandu et dont le fonctionnement est le plus satisfaisant est le modèle Missouri6. Il a la forme d'un tunnel avec de grandes portes métalliques à l'avant et à l'arrière, assez vastes pour permettre l'entrée d'un élévateur à fourche ou d'un camion pour le chargement et le déchargement. Ses dimensions sont de 34 feet 8 inches × 22 feet 4 inches (10,5 × 6,8 m), avec des murs de 8 feet 6 inches (2,6 m) de hauteur et un toit en dôme, plus haut de 5 feet (1,5 m) [fig. 12]. Ce four peut être construit pour 2 000 à 4 000 dollars, sur la base des prix de 1960 dans le Missouri (un four du type ruche en brique, de même capacité, coûterait probablement deux fois plus).
6 University of Missouri Engineering Experiment Station. Engineering Series Bulletin 48. The wood charcoal industry in the State of Missouri. Columbia (Missouri), mai 1960. Description détaillée avec plans et spécifications d'un four de 40 cords (84,8 m³).
Le déroulement de l'ensemble d'une opération dans un four de ce modèle s'étend aussi sur un mois environ, soit deux jours pour le chargement, quatre à six jours pour la carbonisation, 10 à 14 jours pour le refroidissement, et environ quatre jours pour le déchargement. Le rendement avec des bois ronds de feuillus, comme le chêne ou le hêtre, est excellent, allant de 800 à 1000 pounds par cord (170 à 213 kg par m³). Avec des déchets de scierie, le rendement est, bien entendu, un peu inférieur, en raison du plus fort poucentage d'écorce et de la plus petite quantité de bois empilé.
Récemment plusieurs types nouveaux de cornues verticales calorifugées en acier ont été mis au point dans le nord-est des Etats-Unis: ils donnent des rendements élevés, le cycle des opérations est plus court, le charbon de bois fabriqué est plus uniforme et de qualité supérieure, enfin la main-d'œuvre employée par tonne de charbon de bois produite est moindre qu'avec n'importe quel four. Ces cornues sont l'aboutissement d'une longue période de travaux réalisés par de nombreux chercheurs notamment Donald Warner, (Speculator, N.Y.), Alvin Keil (Rochester, N.Y.), et Fenimore Thomas (Oswego, N.Y.).
Les cornues sont constituées par des cylindres d'acier verticaux, bien isolés sur toute la surface intérieure. Quand la carbonisation est achevée, ce qui est une question d'heures et non de jours, on laisse refroidir le charbon jusqu'à 400°F (204°C); i] est alors mis dans des fûts en acier de 55 gallons (208 litres) qui sont hermétiquement clos par un couvercle bien ajusté. Dans ces étouffoirs, on laisse le charbon refroidir durant une période de deux à sept jours sans toucher au couvercle, et quelques jours de plus en enlevant 1E couvercle. Le charbon est ensuite utilisé ou emballé.
CORNUE THOMAS
Le plus simple et le moins cher des modèles courants de ces cornues a été dessiné par Fenimore Thomas. (fig. 13 et 14). Il est construit actuellement par deux fabricants. Un modèle, le plus petit, produit par Vega Industries de Syracuse, N.Y., comprend une cellule de carbonisation en acier de 12 feet (3,65 m) de haut et de 48 inches (122 cm) de diamètre; il coûte environ 1000 dollars.
FIGURE 13. - Cornue verticale charbon Thomas.
FIGURE 14. - Schéma montrant le fonctionnement de la cornue Thomas. A gauche: plan; à droite: mode de fonctionnement.
Le second modèle, plus grand, dont la cellule en acier a 15 fret (4,57 m) de haut et 66 inches (167,6 cm) de diamètre est vendu par Charcoal Retort and Equipment Co, Spruce Pine (Caroline du Nord) pour 2 400 dollars environ. Cette dernière cornue comporte plusieurs particularités supplémentaires, notamment deux thermomètres, mais le principe des deux cornues et leur fonctionnement sont les mêmes.
On fait d'abord tomber des papiers et des produits inflammables bien secs au fond de la cornue et on y met le feu. Par les évents de la base complètement ouverts, on met aussi le feu à la charge à l'aide d'une torche de chiffon imbibée de pétrole. Une fois que le feu a bien démarré, on ajoute du bois vert par la trémie. Quand ce dernier s'enflamme, on ferme les trappes. Une des arrivées d'air (généralement celle qui se trouve du côté opposé au vent) est ouverte, et la trémie est partiellement fermée. L'apport de bois vert sur le chargement est fait peu à peu jusqu'à ce que la cellule soit remplie et on se trouve alors dans les conditions de marche indiquées par la figure 14 (à droite). Ensuite, la porte ménagée dans le compartiment en béton construit à la base de la cornue est ouverte toutes les deux ou trois heures, on place un fût métallique vide sous la trappe, on ouvre celle-ci et on fait descendre 200 à 300 pounds (90 à 135 kg) de charbon incandescent dans le fût en utilisant une tige d'acier introduite par les trappes latérales. Les fûts remplis sont fermés, retirés du compartiment et mis à refroidir. Un nouveau chargement de bois vert est introduit par la trémie après chaque prélèvement d'une charge de charbon de bois, de telle façon que le fonctionnement de la cornue puisse
être continu. Durant 24 heures, environ une tonne et demie de charbon est obtenue à partir de croûtes et de déchets en bois vert dans la plus petite de ces cornues, la plus grande donnant près de 3 tonnes de charbon à partir de matériaux verts. Avec du bois séché à l'air, la production de l'une et de l'autre est pratiquement doublée.
Un nombre considérable de ces cornues sont en fonctionnement dans l'est des Etats-Unis; certaines, adjointes à de petites scieries, fabriquent du charbon de bois avec les déchets. D'autres fonctionnent dans les exploitations forestières. Dans ce dernier cas, les cornues peuvent être utilisées sous forme d'unités semitransportables et installées temporairement en forêt, ce que montre la figure 13. La Société Vega offre une unité entièrement transportable avec un compartiment préfabriqué tout acier soudé à la base de la cornue, ce qui élimine la nécessité d'un emplacement pour la construction du compartiment de base en béton. La cornue complète avec sa base peut être aisément changée de place et est immédiatement prête à fonctionner.
CORNUE CORNELL
Cette cornue, qui donne aussi de bons résultats, a été mise au point par Donald Warner; elle est fabriquée et vendue par Cornell Manufacturing Co, Laceyville (Pennsylvanie). Comme le montrent les figures 15 et 16, c'est une véritable cornue en ce sens que la source de chaleur lui est extérieure: c'est généralement un brûleur à mazout, avec soufflerie et contrôles par thermostats. Ainsi, la carbonisation étant étroitement et complètement contrôlée, de très hauts rendements sont obtenus par rapport à la quantité de bois utilisée et la qualité du charbon produit est uniforme et de la qualité spécifique désirée.
FIGURE 16. - Schéma montrant le fonctionnement de la cornue Cornell.
La cornue Cornell, complète, coûte moins de 5 000 dollars. Son installation et sa conduite sont très simples. Dans beaucoup de petites scieries où ont été installées des batteries de cornues de ce modèle, les déchets découpés automatiquement en longueur de 12 à 16 inches (30,5 à 40,6 cm) sont emportés par un transporteur qui les déverse à longueur de journée dans la partie supérieure des cornues. Les déchets produits dans la plupart des scieries débitant des feuillus réprésentent ½ à 3/4 de cord par 1000 board feet7 de sciages produits (0,44 à 0,67 m³ par m³). En conséquence, l'une de ces cornues peut contenir les déchets correspondant à la fabrication d'environ 3 000 board feet (7,08 m³) de sciages. Généralement, on remplit toutes les cornues au cours de la journée de travail et on commence la carbonisation le soir quand la scierie proprement dite s'arrête. Le veilleur de nuit peut facilement exercer la surveillance limitée que requièrent les cornues jusqu'à ce que la combustion soit achevée. Celle-ci nécessite habituellement 6 à 8 heures, suivant la teneur en humidité du bois. La carbonisation dans les cornues cesse automatiquement et on les laisse refroidir jusqu'à la reprise du travail de la scierie le matin. Deux ou trois hommes peuvent vider le charbon dans des fûts en moins d'une heure et, ensuite, reprendre leur travail normal ou emballer le charbon fabriqué précédemment maintenant tout à fait froid. De cette façon, une scierie débitant 10 000 board feet (56,63 m³) de sciages par jour peut maintenir en fonctionnement trois de ces cornues et obtenir à partir de ses déchets jusqu'à 2 tonnes de charbon de bois, qui peut être vendu de 50 à 100 dollars la tonne.
7 1 000 board feet = 2,36 m³.
Dans une usine de l'Etat de New-York, des déchets passés au séchoir et provenant d'une fabrique de meubles sont carbonisés dans une batterie de quatre cornues et, au lieu de prendre toute la nuit, une fournée est achevée en cinq heures environ (deux heures pour la carbonisation, et trois pour le refroidissement).
Ainsi que le montre la figure 16, une des caractéristiques spécifiques de la cornue Cornell est que les gaz circulent en sens inverse, donc à travers la charge, sous l'action de souffleries. Grâce à cela, les gaz ont un trajet très court à parcourir entre le bas de la cornue et la chambre de combustion: ils ont donc peu ou point de chances de se refroidir avec risque de condensation. Les gaz volatils et les goudrons brûlent presque complètement dans la chambre de combustion et, ainsi, cette cornue ne produit pratiquement pas d'odeur pendant la période de carbonisation. En outre, les gaz chauds qui circulent à travers le chargement sont presque complètement inertes, de sorte qu'il ne se forme pas de dépôt de goudron sur le bois ou le charbon.
Le fonctionnement du brûleur à mazout est contrôlé par thermostat et la consommation du combustible est étonnamment basse surtout avec du bois et des températures extérieures relativement élevées. Même avec des conditions moins favorables, la dépense de fuel à 20 cents le gallon (6 ou 7 cents le litre) excède rarement 2 dollars par fournée. Cette dépense est largement compensée par une production supérieure d'environ 400 pounds (181,5 kg) à celle qu'on obtiendrait dans un four: à 2 cents par pound, le rapport supplémentaire obtenu est voisin 8 dollars.
Compte tenu du rendement journalier, les dépenses d'investissement ne sont pas excessivement plus élevées pour ces cornues que pour les autres appareils. Une de ces cornues travaillant avec des déchets verts au rythme de deux chargements par jour produira 3 200 pounds (1 451 kg) de charbon de bois de qualité supérieure en 24 heures. La cornue coûtant 4 500 dollars, l'investissement correspond à 140 dollars environ pour chaque production journalière de 100 pounds (45 kg) de charbon. Un four en parpaings de mâchefer de 9 cords (19,08 m³), coûtant 1 000 dollars, produira tous les dix jours environ 5 000 pounds (2 250 kg) de charbon à partir des mêmes déchets, ce qui représente environ 180 dollars d'investissement pour chaque production journalière de 100 pounds de charbon.
CORNUE KEIL-PFAUDLER
Le troisième, et le plus grand, de ces nouveaux types de cornues, est la Keil-Pfaudler, construite par la PfaudlerPermutit Company de Rochester, N.Y. Elle est représentée par les figures 17 et 18. Sa contenance est de 4 ½ cords (9,54 m³) et elle coûte environ 15 000 dollars, complète et prête à fonctionner. Les rendements sont comparables à ceux de la Cornell, environ 1 000 à 1 200 pounds de charbon de bois par cord de bois feuillu lourd (213 à 256 kg par m³). La consommation de combustible est également comparable, elle est d'environ 5 dollars par chargement dans des conditions relativement défavorables. La dépense d'investissement pour 100 pounds (45 kg) de production journalière est donc voisine de 300 dollars, ce qui peut être compensé par les faibles dépenses de main-d'œuvre et d'entretien. L'acier inoxydable est utilisé dans les parties de la cornue Keil-Pfaudler qui peuvent être sujettes à corrosion et l'ensemble de la construction est évidemment plus lourd et plus robuste que celui de la Cornell. Il sera nécessaire d'avoir l'expérience de plusieurs années pour donner les coûts réels comparés de production du charbon avec ces deux modèles de cornues.
De nombreux essais ont été faits pour mettre au point des appareils destinés à fabriquer commercialement du charbon de bois à partir de sciure ou de copeaux de bois. Jusqu'à une date récente, les cornues verticales Badger Stafford8 donnaient les meilleurs résultats. Leur emploi était toutefois limite surtout aux copeaux secs. Les tentatives pour carboniser des bois en petites particules ou des copeaux à forte teneur en humidité dans ce type de cornue ne furent pas couronnées de succès sur le plan commercial.
8 Voir: FAO. Le charbon de bois. Publications forestières diverses, N° 2.
FIGURE 17. - Diagramme schématique de la cornue Keil-Pfaudler.
FIGURE 18. - Cornue Keil-Pfaudler.
FIGURE 19. - Schéma, de fonctionnement de l'appareil à carboniser de fins déchets de bois.
Récemment, cependant, ont été mis au point plusieurs appareils à carboniser comportant des tubes horizontaux dont le chargement est effectué par des vis sans fin. Certains d'entre eux fonctionnent maintenant sur une base commerciale avec d'excellents résultats.
Un exemple remarquable est donné par la cornue Thompsen construite par Svend Thompsen, Ontario (Canada). Les diverses phases de mise au point de la construction en série de cet appareil ont été décrites dans un article de E. E. Dargan et W. H. Smith9.
9 DARGAN, E. E. et SMITH, W. H., dans Forest Products Journal. Forest Products Research Society, Madison Wisconsin novembre 1958.
Une coupe schématique de cette cornue est représentée à la figure 19. Dans sa version commerciale, la cornue est construite en béton et brique, elle mesure 31,4 feef de long, 15 feet de large et 12 feet de haut (9,4 × 4,5 × 3,6 m). Un simple tube de métal pourvu à l'intérieur d'une vis sans fin transporte les déchets de bois débités en petites dimensions jusqu'à la trémie d'entrée d'où ils sont également répartis dans 13 tubes parallèles qui les conduisent à travers la chambre de combustion. A la sortie des tubes, le charbon tombe dans une conduite où de la vapeur est utilisée pour activer le refroidissement. Cette conduite amène le charbon soit à des fosses de stockage, soit directement à une machine à faire des briquettes. :La chaleur émise par le foyer passe par des conduits ménagés dans la voûte jusqu'à la chambre de combustion placée au-dessus et où sont situés les tubes.
Un feu de bois, allumé dans le foyer plusieurs heures avant le moment prévu pour la carbonisation, porte la température dans la partie supérieure jusqu'à 950°F (510°C), température nécessaire pour la carbonisation du bois. Les gaz produits par la carbonisation retournent dans le foyer où ils maintiennent cette température et le fonctionnement devient alors automatique sans besoin supplémentaire de chaleur.
La sciure, l'écorce, les copeaux et les coquilles de noix de pacanier ont été carbonisés avec succès. La teneur en eau des matériaux carbonisés variait approximativement de 5 % à environ 150 %. Les matériaux les plus humides prennent évidemment plus de temps pour être carbonisés. Pour cette raison, la vitesse d'avancement des convoyeurs à vis est réglable et variable, de telle façon que leur vitesse puisse être adaptée pour obtenir une bonne carbonisation suivant les matériaux introduits dans l'appareil.
Beaucoup de matériaux qui sont de petites dimensions une fois carbonisés par ce procédé et par -un autre similaire, doivent être conditionnés en briquettes pour être vendus. La production d'une cornue Thompsen, qui varie de 6 à 10 tonnes pour une durée de travail de 8 heures, nécessite une machine à faire les briquettes d'une capacité d'environ une tonne par heure.
Les droits pour la construction et la vente de ce procédé en dehors de l'Etat de Caroline du Nord ont été acquis par la Société Larus Brothers Tobacco Co., Richmond (Virginie), qui possède maintenant dans les faubourgs de la ville une usine en service travaillant à l'échelle commerciale.
Beaucoup de charbon de bois étant vendu sous forme de briquettes, des producteurs peuvent être intéressés par la fabrication de ces dernières. Les briquettes de charbon de bois sont généralement fabriquées en mélangeant en poids environ 73 % de charbon broyé, 4 % d'amidon et 23 % d'eau. Les briquettes sont confectionnées dans une machine spéciale et séchées ensuite dans une chambre chaude. D'autres liants ont été utilisés, notamment des liants bitumineux, des résidus de fabriques de pâte à papier, et même les déchets d'une usine traitant les citrons, mais aucun de ces liants n'a été aussi satisfaisant que l'amidon.
Une fabrique de briquettes, pour être rentable, doit produire au minimum une tonne à l'heure, ce qui est actuellement la capacité d'une machine moderne. Son coût est d'environ 10 000 dollars. Cependant, elle ne représente qu'une partie de l'équipement nécessaire. On trouvera cidessous une liste des principaux éléments complémentaires d'une telle fabrication, avec leur prix (1963) courant fourni par une importante usine des Etats-Unis.
Le terrain, les bâtiments et les autres dépenses liées à l'établissement d'une telle usine doivent porter, sans aucun doute, la dépense totale à plus de 150 000 dollars.
La fabrication des briquettes dans une telle usine revient, aux Etats-Unis, à 25 dollars la tonne environ. Les briquettes se vendent généralement à un prix un peu plus élevé que celui du charbon en vrac. Elles sont moins coûteuses à manipuler, à transporter et à stocker que ce dernier et se détériorent moins dans toutes ces manutentions. Il s'ensuit que les usines situées à une longue distance de leurs débouchés transforment de préférence en briquettes leur charbon pour bénéficier de ces considérations économiques et aussi parce que, sur beaucoup de marchés, les briquettes sont plus faciles à vendre que le charbon de bois en vrac.
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Elément |
US $ |
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1. Malaxeur à palette |
1 500 |
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2. Mélangeur vertical à deux bras |
6 825 |
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3. Système de transportation du mélange |
2 500 |
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4. Presse à briquettes et son dispositif d'alimentation |
8 190 |
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5. Transporteur pour l'évacuation des briquettes |
400 |
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6. Séchoir à briquettes |
18 000 |
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7. Marteau pilon |
2 100 |
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8. Approvisionneur Syntron à amidon |
300 |
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Prix des éléments 1 à 8 |
39 815 |
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Prix des moteurs pour les éléments 1 à 8 |
3 580 |
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En plus du matériel pour la manutention du charbon, il faut ajouter l'équipement pour manipuler les briquettes, un local au sec pour les entre poser, une chaudière de 30 oh avec une pression de 1 kg/cm²; leur coût est approximativement de |
26 000 |
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COUT TOTAL DE L'ÉQUIPEMENT |
69 395 |
