Le charbon bitumineux ( ou pour les anglophones) est un charbon assez léger, plutôt tendre et poreux, contenant une substance huileuse grasse improprement qualifiée de « bitume », ce qui pourrait le faire classer dans les roches mères d'autant que c'est le type de charbon réputé libérer le plus de grisou (mélange gazeux explosif).
vignette|275px|Charbon bitumineux. vignette|275px|Autre type de charbon bitumineux.
Son exploitation industrielle souterraine est jugée dangereuse en raison des grandes quantités de grisou qu'il peut libérer, susceptible de provoquer de violentes explosions souterraines. Son extraction exige donc des procédures de sécurité plus élevées concernant la ventilation des galeries de mine et la surveillance des teneurs de l'air en gaz et les matériels électriques (qui ne doivent pas produire d'étincelles).
Aux États-Unis, c'est le symbole de la Virginie-Occidentale qui en possède des gisements importants, exploités depuis plus d'un siècle.
Description physique
Sa couleur est noirâtre à brun foncé. Ses lignes de cassures présentent des reflets plus ou moins brillants organisés en bandes, qui sont utilisés pour en classer les variantes ou donner des indice sur ses caractéristiques stratigraphiques ( ou pour les anglophones). Le géologue identifie deux constituants macéraux principaux : la vitrinite et l'exinite.
Sa masse volumique dans le gisement est en moyenne de ; en poudre ou granulé, sa masse volumique est typiquement de .
Sa structure chimique fine peut être étudiée par résonance paramagnétique électroniqueAB Wieckowski (1988), EPR Investigations of the structure of bituminous coal (Congrès Magnetic resonance conference - 1987), 36, 4-5, 299-303 ; Experimentelle Technik der Physik (lien cat.inist.fr).
Utilisations Il est surtout utilisé comme combustible solide et source d'énergie pour produire de la chaleur, de la vapeur d'eau, du mouvement, de l'électricité, éventuellement en cogénération ou en trigénération ; pour cela, il est de meilleure qualité que le lignite, mais moins énergétique que l'anthracite, le pétrole ou le gaz naturel. Un kilogramme de charbon bitumineux libère de 24 à d'énergie thermique (de 21 à 30 millions BTU par tonne courte) pouvant être convertie en énergie motrice et en électricité.
En cimenterie (pulvérisé), il peut alimenter les « précalcinateurs » très consommateurs d'énergie. À relativement basse température (800 à ), ils produisent moins de NOx, mais avec comme inconvénient une durée de combustion qui doit être plus longue (plusieurs secondes)Thèse de Van De Steene Laurent (1999) intitulée Thermochimie de la combustion à basses températures de solides pulvérisés : application à un charbon, soutenue sous la direction de Georges Charnay, Université de Toulouse (Institut national polytechnique), 180 et bibliographie de 75 réf. (résumé).
Certaines variétés de charbons bitumineux sont également utilisées pour produire du coke pour la métallurgie.
Comme il présente une certaine porosité, on a aussi expérimentalement tenté (en Inde) d'utiliser du charbon bitumineux, normal ou (avec alors de meilleurs résultats) préparé comme sorbant. La préparation était faite par traitement hydrothermique afin de lui incorporer des groupes fonctionnels supplémentaires et de changer la nature chimio-colloïdale de sa surface pour améliorer l'adsorption de Cu (II), Ni (II), Zn (II) et Cr (VI) au peroxyde d'hydrogène et par imprégnation d'oxyde de manganèseSingh D et Rawat NS (1997), Adsorption of heavy metals on treated and untreated low grade bituminous coal, Indian journal of chemical technology, 4, 1, 39-41 ; (http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=2728328 résumé Inist-CNRS]). Il s'agissait de tester ses capacités à adsorber (un peu à la manière du charbon de bois) des éléments chimiques toxiques, polluants ou indésirables, dont par exemple des métaux lourds ou le chrome d'effluent industrielNarayana Nagesh, Abburi Krishnaiah (1989), A study on removal of chromium by adsorption on bituminous coal from synthetic effluents ; Indian Journal of Environmental Health ; 31, , 304-308, 5, Éd. : National Environmental Engineering Research Institute de Nagpur (Inde), ; résumé avec Inist-CNRS. Par exemple, il se montre capable d'absorsber/adsorber de grandes quantités de plomb moléculaire/ionique (jusqu'à 92,52 % pour le Pb II à pH 8Dhanesh Singh et Rawat NS (1995), Sorption of Pb(II) by bituminous coal ; Government DB girl's post graduate coll., dep. chemistry de Raipur (Inde) ; Indian journal of chemical technology ; 2, 1, 49-50 (8 réf.) ; (résumé Inist/CNRS)).
Genèse géologique Il a généralement été formé par une forte pression exercée sur le lignite (lui-même issu de la décomposition d'anciennes tourbières), alors que sa couche géologique s'enfonçait dans le sous-sol. C'est une roche sédimentaire principalement composée de matières d'origine organique structurées et transformées (diagenèse) par une compression dite sub-métamorphique. Il contient 60 à 80 % de carbone fossile ; le reste étant principalement constitué d'eau, d'air, d'hydrogène et de soufre, qui n'ont pas été chassés ou détruits des macéraux par la pression et/ou la température. Il contient aussi des éléments-traces métalliques polluants (métaux lourds dont mercure), métalloïdes, dont arsenic) et des radionucléides. Ceux-ci sont libérés lors de la combustion du charbon et ensuite dispersés dans les vapeurs, fumées, mâchefers et cendres.
Classifications technique, commerciale et industrielle Indépendamment de leurs définitions géologiques (« lithotype »), les charbons bitumineux sont classés selon plusieurs critères physico-chimiques, qui sont principalement : la réflectance de la vitrinite qu'ils contiennent ; leur teneur en humidité ; leur teneur en composés volatils ; leur plasticité ; leur teneur en cendres (la quantité de cendres qu'ils laissent après combustion) ; leurs caractéristiques d'auto-inflammationFeng KK (1985), Spontaneous combustion of Canadian coals (CANMET/EMR Canada, mining res. lab.), in CIM bulletin ; 78, 877, 71-75 (10 réf.) ; Éd. Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, Montréal (résumé avec Inist-CNRS).
Valeur commerciale Le charbon est vendu plus cher quand il est plus plastique, qu'il contient des hydrocarbures plus volatils et qu'il présente une moindre « teneur en cendres », avec le moins de carbonates, phosphore et soufre la plus faible possible.
La plasticité est une caractéristique vitale pour la cokéfaction, indice de son aptitude à contribuer progressivement aux phases de la cokéfaction. Elle est mesurée par des tests de dilatation charbon. Une faible teneur en phosphore est en outre essentielle à ces charbons parfois dits « métallurgiques », car le phosphore est un « poison » (élément hautement délétère) dans la fabrication de l'acier. En cas de volatilité et de plasticité médiocre, on lui préfère le charbon à coke. Le test utilisé pour la vérifier est l'« indice de gonflement libre ». En fonction de leur teneur en matières volatiles et de leur indice de gonflement, différents mélanges de charbons (bitumineux ou non) peuvent être faits pour optimiser leur qualité en tant que carburant ou coke.
La volatilité est un critère « critique » pour la sidérurgie et pour la production d'énergie, car elle influe sur le taux de combustion du charbon. Quand le charbon est plus riche en composés volatils, il s'enflamme mieux et brûle mieux, bien que contenant moins de carbone et donc une moindre énergie potentielle par unité de volume. Les fonderies doivent équilibrer et optimiser les teneurs en matières volatiles de leurs charbons pour la facilité d'allumage, et mieux contrôler le taux de combustion et la chaleur émise.
La faible teneur en cendre, en soufre et en carbonate du charbon est prisée des producteurs d'électricité car elle diminue très significativement la quantité de scories produites dans les chaudières, ainsi que la quantité de fumées et particules, ainsi que de gaz acides (acide sulfurique, chlorhydrique, SO, mais aussi du HO qui corrode certains aciers en cours de fabrication, et qui sont très corrosifs pour les installationsKraftwerken M Thiele, H Teichmann, W Schwarz et Quadakkers W. J. (1997), Korrosionsverhalten von ferritischen und austenitischen Stählen in simulierten Rauchgasen von stein-und braunkohlebefeuerten ; VGB, VGB Kraftwerkstechnik, 77, , 61-62, 65-68 ; ([résumé avec cat.inist/CNRS])) et d'autres polluants de l'air. Les coûts de filtration/épuration des gaz sont diminués. Les carbonates sont néfastes car ils forment des croutes dans les chaudières et sur les échangeurs thermiques. Le soufre contribue des effluents gazeux contribue aux pluies acides, aux smogs aux cancers et aux maladies pulmonaires, et indirectement à l'acidification des eaux (qui est aussi due à l'acide carbonique également produit par la combustion du charbon ou d'autres hydrocarbures)
Le charbon bitumineux dit « », produisant le moins de cendres volantes, et le moins riche en soufre et autres produits indésirables est d'une qualité adaptée aux besoins des forges et a été très utilisé pour cet usage au début du Richards, William Allyn., (1915), Forging of iron and steel (voir 50) ; D. Van Nostrand Company, lire en ligne. Après la Première Guerre mondiale, alors que la métallurgie des métaux ferreux est en pleine expansion, pour être vendus comme tels, les constituants indésirables d'un charbon bitumineux ne devaient pas dépasser les taux indiqués ci-dessousWadleigh, Francis Rawle., (1921), A coal manual for salesmen, buyers and users, voir 113 ; National coal mining news (lire en ligne).
Constituant Taux (%) Sulfures < 1 Cendres (après combustion) < 7 Carbone > 70 Teneur en eau < 12
Ce terme anglophone (dérivant de l'ancien anglais ; littéralement bougie charbon) désigne un charbon qui s'enflamme facilement en produisant une flamme brillante. Il contient une haute teneur en matières volatiles, et a été utilisé pour produire une huile de charbon en Virginie dès le milieu des années 1800E-WV West Virginia Encyclopedia ; Ed:Wet Virginia Humanities Council ; 1310 Kanawha Blvd E ; Charleston, WV 25301, consulté le 22 mars 2012. L'utilisation de ce type de charbon a considérablement décliné au cours du , .
Charbon à coke Pour être utilisé dans de nombreux procédés industriels métallurgiques, le charbon bitumineux doit d'abord être « coké » (dans une usine dite « cokerie ») pour éliminer ses composés volatils et diminuer le nombre de particules réactives qui seront émises lors de l'utilisation du coqueHustad JE ; Aho MJ ; Hupa M. ; Noopila ; Sorensen LH ; Clausen S ; Kiorboe L ; Gromulski J ; Bengsson B ; Leckner B. ; (1990), Reactivity measurements of coke particles in five different flow reactors (Congrès International Flame Research Foundation. Topic oriented technical meeting. 2 ; 21 mai 1990)) ; Rivista dei Combustibili, 44, , 257-267 [11 ; (résumé Inist-CNRS).
C'est une opération très polluante car la plupart de ces composés sont cancérogènes, mutagènes et/ou de puissants acidifiants de l'air ou des pluies et interagissent via leurs aérosols avec le climat local et global, jouant un rôle dans le dérèglement climatique. Elle est réalisée par chauffage du charbon en l'absence de dioxygène, ce qui entraîne hors du charbon des hydrocarbures tels que le propane, le benzène et d'autres hydrocarbures aromatiques ainsi que des gaz soufrés. Une grande part de l'eau contenue dans le charbon bitumineux en est également ainsi extraite. Le charbon à coke est ensuite refroidi ; ce matériau poreux dur et gris peut alors être vendu aux aciéries qui l'utilisent pour produire le fer à partir du minerai de fer.
Classement par période géologique La plupart des hydrocarbures fossiles datent du Carbonifère, mais il existe aussi des charbons bitumineux ou non un peu plus récents.
Charbon du Carbonifère