● Industrie

Machines à vapeur

La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du XVIII° siècle. C'est un moteur à combustion externe qui transforme en énergie mécanique, l'énergie thermique de la vapeur d'eau,  produite par une chaudière au charbon.


Ce charbon, nécéssaire au chauffage de la chaudiére, est fourni sous format de briquettes (ou de boulets).


Du charbon pulvérisé est en suspension dans un bac de décantation. Après séchage à haute température (100°), mélange avec du brai en poudre et passage dans des presses hydrauliques pour donner ces briquettes (ou des boulets).


L’ancre présente sur la briquettes de LA GRAND'COMBE rappelle que les premiers usages ont été destinés à la MARINE.

Centrales Thermiques

La grande majorité des centrales utilisent le procédé d’Injection de Charbon Pulvérisé (PCI), dans lequel le charbon est broyé, puis séché dans un courant d’air à 100° avant d’être injecté dans le foyer.

La nécessité de réduire les impacts sur l’environnement conduit à rechercher l’amélioration du rendement des centrales les rejets étant inversement proportionnels au rendement. Certaines nouvelles technologies sont déjà en œuvre, d’autres ne sont qu’au stade de pilotage:

  • Centrales sub-critique à injection:
La grande majorité des centrales existantes sont des centrales sub-critiques à injection. Ces centrales utilisent l’injection dans le foyer de charbon pulvérisé et séché ce qui accroît la surface réactive et améliore la combustion du charbon. La chaleur du foyer est de l’ordre de 1.400°C. Elles fonctionnent avec de la vapeur à 540°C et 18MPa qui alimente, généralement, deux étages de turbines (Haute et Basse Pression) couplées à des alternateurs. Après condensation la vapeur est recyclée vers la chaudière. Le rendement moyen est de 37% mais varie (28% en Chine, 38% en OECD), et peut être amélioré par augmentation de taille (500 MW), meilleure configuration des foyers (rendement chaudière de 89%) et efficacité des turbines. Le rendement peut atteindre 43 % La plupart des nouvelles centrales sont maintenant dotées de dispositifs de traitement des gaz.


  • Les centrales PCI à co-génération:
La récupération de chaleur basses calories, après turbinage de la vapeur, pour chauffage augmente le rendement global de la centrale. Cette technique, dépendante des besoins en chaleur, s’applique préférentiellement aux unités de faible puissance. Une des plus grosses réalisation est la centrale d’AVEDORE au DANEMARK qui réalise 200Mwe à un rendement de 34%, la chaleur portant ce rendement à 55 %. Sans production de chaleur on obtient 300 MW à 42%.


  • Les centrales PCI super-critiques:
actuellement, 50% des centrales construites sont super-critiques. Les conditions typiques sont de 25Mpa et 540°C, les conditions thermodynamiques supérieures: 25Mpa à 35 Mpa et 565-590°C étant désignées par les appellations ultra-super-critiques. Dans les conditions super-critiques, la densité de la vapeur est égale à celle de l’eau et les ballons de séparation de phases, basés sur la différence de densité eau-vapeur, utilisés dans les conditions sub-critiques, sont remplacés par un système d’autorégulation du débit vapeur qui limite celui-ci à l’exacte quantité de chaleur disponible pour l’évaporation (OT system. BENSON, 1922). En sortie de ce système, la température de la vapeur, qui alimente la turbine, est de 287°C, contre 260°C avec un ballon. Il en résulte, conformément au théorème de Carnot, une augmentation théorique de 3 % du rendement. C’est bien ce que l’on constate : les rendements sont de l’ordre de 42%- 43% mais peuvent atteindre 47% (NORDYLLANDS, au DANEMARK ou une source très froide est disponible). L’augmentation de la densité vapeur conduit à une réduction de la taille des appareillages, notamment du diamètre des turbines et donc à des économies d’investissement qui compensent le coût plus élevé des épaisseurs de paroi et des aciers spéciaux utilisés pour résister à ces conditions thermodynamiques plus sévères.


  • Les lits fluidisés atmosphériques:
Dans cette technique le charbon est simplement concassé et conduit à former un lit maintenu en sustentation par injection verticale d’air. Les avantages sont nombreux: la combustion peut être obtenue avec un bon contrôle des températures qui restent de l’ordre de 850°C à 950°C contre 1.400°C dans les PCI. Cette température permet d’éviter la fusion des cendres et la formation de mâchefer, elle réduit considérablement la formation de NOX (qui ne se forment substantiellement qu’à partir de 1.300°C), enfin la réactivité du calcaire qui est ajouté au charbon est maximale ce qui limite la formation de SO2. Un autre avantage des FB est leur aptitude à brûler des charbons de mauvaise qualité ( 30% à 35% d’humidité et 30% de cendres à CARLING). Le rendement est toutefois inférieur de 2% à 3% aux PCI et les puissances unitaires restent limitées (250MW à IGNIFLUID de GARDANNE).


  • Les lits fluidisés pressurisés:
Un moyen d’améliorer le rendement des lits fluidisés est de turbiner les gaz de combustion avant la fabrication de la vapeur et son passage dans la turbine vapeur: on obtient un cycle combiné dont les performances rivalisent avec les centrales supercritiques. Pour obtenir ce résultat l’air injecté pour la combustion est pressurisé à quelques 12 à 25 bars et les gaz transitent par une chambre cyclonique pour préserver la turbine gaz des cendres volantes. Les PFBC réalisés concernent uniquement de petites unités de 70-80MW. La CEE a par exemple financé le projet de 76MW d’ESTRATRON en ESPAGNE. Il est possible d’opérer les PFBC en conditions super-critique, ce qui permet d’espérer une efficacité de 55%: c’est l’objectif du projet de 360MWe de KARITA au Japon. Ce système combinerait les avantages propres aux lits fluidisés: aptitude à utiliser des charbons de toute qualité (y compris les lignites), faible teneur en SO2 et NOX des fumées, et excellent rendement. Ajoutons que le prix d’une centrale PFBC est équivalent à celui d’une centrale PCI supercritique équipée de dispositif de traitement des gaz.


  • Gazéification:
La gazéification est un très vieux procédé (il en existe plus de 300 systèmes) de l’industrie chimique et de la production du gaz de ville. Le combustible, finement divisé, est introduit sous forme de pulpe dans un gazéificateur ou sous atmosphère contrôlée d’air ou d’oxygène, à une pression variant de 20 à 80 bars et à une température de 1.300°C à 1.600°C, il produit du syngaz. Ce syngaz est un mélange de CO, CO2, et H2. La proportion de ce dernier élément (H2), formé par réaction du CO sur l’eau, varie de 18%-20% avec la combustion à l’air (gaz pauvre) à 30%-32% en volume à l’oxygène (gaz riche). Le pouvoir calorifique du gaz évolue parallèlement à cette concentration. Dans le procédé IGCC, le syngaz alimente en parallèle une turbine à gaz et une turbine vapeur par l’intermédiaire du refroidisseur du syngas qui sert de générateur de vapeur. La chaleur  des gaz brûlés dans la turbine à gaz est récupérée dans un échangeur et réchauffe la vapeur alimentant la turbine vapeur. Les gazéificateurs sont de plusieurs types : à lit fixe, à lit fluide, à lit bouillonnant, ils ont en commun leur encombrement (40m de long, 680Tonnes pour 250MWe à TAMPA en FLORIDE. L’avantage du procédé est sa capacité à brûler tout type de combustible, en particulier la biomasse. La dépollution effectuée en phase gazeuse est particulièrement efficace et constitue le deuxième avantage du procédé. Le rendement de conversion (charbon-syngas) est bon: 70%, mais le rendement global des centrales IGCC est de l’ordre de 42%-43%, pour la production d’électricité sensu stricto (sans cogénération). Les IGCC sont au premier stade d’expérimentation. On peut citer la réalisation de 305MWe de PUERTOLLANO en ESPAGNE, financé par la CEE (rendement de 45% espéré), l’unité SHELL de BUGGENUM (250MWe, en HOLLANDE), de TAMPA (250MWe, 41%), enfin de WABASH RIVER (aux USA, 262MWe, 41%).

Les IGCC paraissent bien être une solution d’avenir en raison de leur aptitude à brûler tout type de combustible et de leur plus faible rejet de polluants, mais de gros problèmes technologiques restent à résoudre (corrosion des turbines en particulier).
   

Fonderies

La fonte est le métal recueilli après la fusion du minerai dans le haut fourneau. C'est un alliage de fer et de carbone (plus de 2,5% de carbone). L'affinage est la transformation de la fonte en acier (moins de 1,8% de carbone par réduction du taux de carbone dans l'alliage. La méthode utilisée alors était le martelage des barres de métal, qui peu à peu, réduisait le pourcentage carbone.
 
Le fourneau qui servait à transformer le minerai en fonte s'appelait un "Haut Fourneau" parce qu'il était rempli par le haut, celui qui servait à couler la fonte en barres pour sa transformation en acier ou en articles en fonte sophistiqués, s'appelait un "Fourneau à Marchandise", ou cubilot... Le bois servit longtemps de combustible dans les "Bas Fourneaux", pour les fonderies et les forges, mais on s'aperçut assez vite que le charbon de bois chauffait plus fort...[chouannerie]
 
Le charbon de bois devint extrêmement coûteux ... et Abraham DARBY tenta de développer la coulée au coke: pour réduire le minerai de fer et le carburer dans le haut-fourneau afin d'obtenir la fonte, il utilise le coke, graphite (carbone) très pur, obtenu par distillation de la houille dans un  four.[Wikipedia]
 
L'industrie sidérurgique est un important consommateur de charbon: la production d'une tonne d'acier exige environ 600 kg de charbon à coke. Il est obtenu à partir d'un traitement thermique du charbon.(carbonisation). Ce traitement se fait à l'abri de l'air dans les « fours à coke ». On élimine les matières volatiles du charbon et cette dévolatilisation laisse un produit solide, fissuré et mécaniquement résistant : le coke. Il est constitué uniquement de carbone et de matières minérales calcinées. [Charbonnages De France]
 
Enfin, au pied du serre de DURET, au bout du pont du Marché d'ALAIS, sur la rive droite du Gardon, il existe quatre fours à chaux alimentés par l'étage oxfordien supérieur. L'extraction du calcaire a lieu à côté des fours; la pierre se cuit à la houille.

Aussi fabrique-t-on, dans ces fours, de la chaux grasse ou maigre, à volonté, suivant qu'on emploie les couches de calcaire pur ou les couches de calcaire gris argileux qui forment la base dela montagne.
 
Ces fours sont chauffés avec la houille d'ALAIS.
 
Pour cuire 1.100kg de calcaire, propre à faire de la chaux grasse, il faut 175kg de combustible, ce qui produit 500kg de chaux. Cette opération dure environ 48heures.
 
Pour cuire 1.000kg de calcaire argileux, pour chaux maigre, il faut 125kg de houille, ce qui donne 500kg de chaux. Cette cuisson dure 30 heures environ.

[Dumas]