CHARBON DE BOIS

Donné€8 expérimentales. — Sous Taction de la chaleur, le bois perd d'abord de Teau hygrométrique. Jusque vers 200° il n'éprouve pas de décomposition appréciable, ne change pas de couleur; il renferme encore 60 0/0 de carbone. A partir de cette température il commence lentement à se décomposer, puis très rapidement entre 250° et 300° ; à cette dernière température il a perdu 50 0/0 de son poids de matières volatiles et donne ce que l'on appelle le charbon roux, à 4 0/0 d'hydrogène et 73 0/0 de carbone, qui est employé dans la fabrication des poudres de guerre modernes. A 400° il devient noir, mais ce n'est pas encore du charbon pur, il ne renferme que 80 0/0 de carbone ; il ne perd complètement ses matières volatiles qu'au rouge vif, vers 1.000°; il renferme alors 95 0/0 de carbone, les 5 0/0 restants étant constitués par des cendres minérales.

Les charbons préparés à 400° ou à des températures inférieures, matières encore hydrogénées et oxygénées, s'allument dans Tair vers 350®; le charbon de bois calciné à haute température et ne renfermant plus de matières volatiles ne s'enflamme que vers 700°, à peu près comme le graphite.

Le pouvoir calorifique du charbon de bois calciné à haute température est de 8.000° Cal. par kilogramme, abstraction faite des cendres. Le charbon industriel renfermant 10 0/0 d'eau hygrométrique et 6 à 8 0/0 de cendres présente un pouvoir calorifique ne dépassant pas 7. 000 Cal.

Le rendement du bois en charbon est très variable suivant le

mode de cuisson, la nature des essences et Tâge du bois. La distillation lente donne un rendement plus élevé, les bois durs comme le chêne donnent plus de charbon que les bois légers comme le bouleau ; enfin le cœur en donne plus que l'aubier et les branches. Ce rendement varie de 15 à 30 0/0 du poids du bois séché.

Le bois de Bourdaine, bois jeune et très léger, employé pour les charbons destinés à la fabrication de la poudre, donne par distillation en vases clos^ à 400^» un rendement d'environ 20 0/0.

La distillation du bois ordinaire, en vases clos, poussée jusqu'au rouge donne environ les rendements suivants :

Carbone 25a 270/0

Eau et divers 50 à 45

Goudron 6à8

Gaz 19 à 20

L'eau provenant de la distillation renferme de Tacide acétique (acide pyroligneux) et de l'alcool méthylique (esprit de bois).

Le poids du mètre cube de charbon de bois en morceaux est en moyenne :

Chêne 245 kg.

Bouleau 225

Pin 205

Sapin 140

Distillation de la cellaloie. — Le bois étant formé en majeure partie de cellulose, il était intéressant d'étudier isolément^ la distillation de ce corps à l'état de pureté. Des expériences sur le coton, faites par MM. Klason, Heidenstam et Norlin (i), ont conduit aux résultats suivants :

Quand on chauffe lentement la cellulose, on obtient jusqu'à 250® une décomposition très Êiible, croissant progressivement avec la température. Vers 270** la réaction devient très rapide et est accompagnée d'un dégagement notable de chaleur, qui provo-

(i) Zeit, fur Angewandte Chemie, XXII, p. I20$-I2IS. (1909.)

212 INTRODUCXrON A L'ÉIUDE DE LA MÉTALLURGIE

que une élévation de température de la masse au-dessus de celle de Tenceinte extérieure. Dans les expériences des auteurs, cette surélévation de température a atteint 80®. Si Ton admettait que la cellulose se dédouble simplement en carbone et eau, suivant la formule :

OH'^'O-z^O + sH'O

on trouverait un dégagement de chaleur représentant 15 0/0 de la chaleur de combustion de la cellulose. En réalité, la réaction est beaucoup plus complexe puisqu'il se dégage des gaz ; d'après les mesures des auteurs, la chaleur dégagée dans cette phase de la distillation, ne représente que 3,5 0/0 de la chaleur de combustion de la cellulose. En continuant à élever la température, les quantités de matières distillées vont en diminuant pour s'annuler complètement vers 400**. La matière à laquelle on arrive alors possède une composition représentée sensiblement par la formule :

C" W* O* = charbon de cellulose.

En continuant à élever la température, la distillation recommence à se produire de nouveau pour être à peu près complètement terminée aux environs de i .000^ et donner alors du charbon véritable.

Le tablenu suivant donne les résultats de la distillation à 400*' d'une cellulose (coton) présentant la composition suivante :

Composition immédiate Compotilion élémentaire

Cellulose 95»05 Carbone . . . 44.35

Cendres 0,13 Hydrogène 6,15

Eau hygrométrique . 4>82 Oxygène . . . 49,52

Total . . 1 00^00

La première colonne du tableau de \i page suivante donne les proportions centésimales des différents produits de la distillation. Les colonnes suivantes donnent les poids de carbone, d'hydrogène et d'oxygène renfermés dans la quantité correspondante de matière, de telle sorte que les poids totaux de carbone, d'hydro-

Distillation du coton.

Nature

Charbon de cellulose Gaz CO« . . .

Eau ....

Goudron . . .

Matières organiques Acide acétique .

Acétone . . .

Alcool mélhylique Pertes. . . .

Total

Matières 0/0

Composition de la cellulose.

gène et d'oxygène doivent, aux erreurs d'expériences près, donner la composition de la cellulose mise en expérience.

Les corps portés sous la rubrique : matières organiques, sont des produits en dissolution dans l'eau avec l'acide acétique et l'acétone, mais qui n'ont pas été dosés séparément et se retrouvent dans les analyses avec l'acétate de soude.

Ces analyses mettent en évidence deux faits intéressants : les gaz obtenus dans la distillation de la cellulose au-dessous de 400''» ne renferment pas du tout d'hydrogène. L'acide carbonique est de beaucoup le gaz le plus abondant.

La distillation de la cellulose pure ne donne pas du tout d'alcool méthylique, comme le fait le bois ordinaire; cela prouve que ce corps provient de la distillation de la matière incrustante qui soude les fibres de cellulose, celle que l'on enlève par le bisulfite dans la préparation de la pâte à papier.

Procédé d«8 moules. — La carbonisation du bois se fait le

plus souvent par le procédé des meules à Tair libre. Elles ont de 2 à 6 m. de hauteur et leur largeur est variable. En France le volume de ces meules ne dépasse guère 30 m%* on cite en Autriche, l'emploi de meules de 200 m'. La durée de cuisson depuis la mise au feu jusqu'au défournement dure de 15 à 30 jours.

Les tas de charbon, généralement circulaires, présentent une cheminée centrale laissée libre^ de 30 cm. de diamètre et de la hauteur du tas. Elle sert, pendant la première période d'allumage, d'abord pour la mise en feu qui est obtenue au moyen de copeaux enflammés projetés au fond de la cheminée ; puis ensuite, pendant la première période de combustion, pour l'échappement des fumées : Tair arrivant par des canaux horizontaux ménagés à la surface du sol. On bouche plus tard la cheminée et les canaux d'arrivée d'air, lorsque la chaleur a complètement séché la masse de terre qui recouvre la meule et le sol sur lequel elle repose; ce dernier est composé sur une épaisseur de 30 cm. par un mélange poreux de terre et de charbon de bois. Pendant la cuisson proprement dite, l'air arrive à travers cette couche perméable et les fumées s'échappent à travers l'enveloppe de terre.

La conduite du feu est une opération délicate, qui demande une grande expérience, d'autant plus difficile à obtenir, qu'elle ne comporte aucune définition précise. Le but essentiel à atteindre est de réaliser une carbonisation convenable en brûlant le moins possible du charbon formé et utilisant au contraire la chaleur de combustion des gaz provenant delà distillation ; or ces gaz se dégagent précisément du côté opposé à celui par lequel l'air arrive.,

Une fois le feu mis au fond de la cheminée avec des copeaux ou avec des boules de résine, on laisse pendant la première période, dite de ressuage^ la combustion se produire dans la cheminée. La cuisson se fait alors dans un cône vertical ayant la cheminée pour axe et sa partie inférieure pour sommet ; pendant cette période on voit de l'eau et des goudrons se condenser sur l'enveloppe de terre qui reste humide. II se produit parfois des explosions à l'intérieur de la meule, suffisantes pour la disloquer ; il faut immédiatement reboucher les fentes de l'enveloppe avec de la terre. Au

CARBONISATIOS DES COMBUSTIBLES 115

bout d'une dizaine de jours, la chaleur est devenue assez forte pour sécher l'enveloppe de terre, on remblaie alors la cheminée et lu combustion se cominue lentement par diffusion des gaz au travers du sol et de l'enveloppe devenus poreux par l'évaporation de leur humidité. Une fois la cuisson terminée, on laisse refroi-

Fig. îï,

dir quelques jours et on commence à détourner. Le charbon est encore assez chaud pour s'enâammer, si on le laisse en masse au contact de l'air ; pour éviter cette inflammation, il faut refroidir rapidement le charbon en l'étendant et le remuant à la surface du sol. Pendant qu'on défait un côté de la meule, pour en retirer une partie du charbon, on remblaie rapidement avec de la terre la smface libre du us de charbon, pour empêcher le feu de s'y mettre, puis on procède il l'extinction du charbon ainsi soni.

2HÎ INTRODUCTION A LÈTUDE DE LA MÈTALLURGIS

Les figures ci-contre, empruntées à un mémoire de M. J. Kohier (i) donnent les différentes phases de la construction (fig. 22, 23, 24) et de la cuisson (fig. 2;). Enfin. U figure 26 montre une disposition particulière de meule pcincttant de recueillir une partie des produits liquides : goudrons et eaux acides dégagés dans I2 distillation du bois.

Fig. a3.

Les expériences de M. J. Kohier sur la carbonisation en meules, ont donné un certain nombre de renseignements sur la composition des gaz et sur la répartition de la température aux différents points d'une meule, aux différentes époques de sa cuisson. Les gaz renferment très peu ou pas d'oxygène libre ; moins de I 0/0; de 20 à 30 0/0 d'acide carbonique et de 10 à 20 0/0 d'oxyde de carbone. La température s'élève au fur et k mesure de l'avan-

0) Jem Koulonts Annalea, IX, î2: {1907).

Fig ai.

2l8 INTRODUCTION A L* ÉTUDE DE LA MÉTALLURGIE

cernent de la cuisson^ mais est très irrégulièrement répartie d*ua point à Tautre de la meule; au moment de Tarrèt de la cuisson les parties les plus froides sont à 300'' et les parties les plus chaudes à 600*».

On ne retire guère en pratique qu'un poids de charbon de 20 0/0 de celui du bois, quand la même matière distillée en vase clos à la même température aurait donné un rendement de 26 0/0. L'écart entre ces deux nombres donne la perte de charbon par combustion.

Le prix de revient de celte opération est de 2,50 fr. par tonne de charbon.

Ce charbon de bois est très hygrométrique et reprend rapidement à Tair de 5 à 10 0/0 de son poids d'eau, il présente en moyenne la composition suivante :

Carbone 80

Cendres 4

Matières volatiles 8

Eau hygrométrique 8

Total 100

Carbonisation enfonrs. — La carbonisation en meules donne un rendement peu élevé en charbon, mais elle a l'avanuge de réduire au minimum les frais de transport du bois ; c'est là un point très important, car la production par unité de surface de forêts exploitées est faible et les coupes se déplacent d'année en en année. En général le transport du bois à une usine fixe, où se ferait la carbonisation, serait beaucoup trop onéreux ; le seul cas où Ton puisse avoir des transports avec un prix de revient acceptable est celui où l'on peut employer le procédé du flottage^ c'est à-dire le transport du bois au fil de Teau ; en Russie et en Suède certaines forêts, sillonnées par des cours d'eau, se prêtent à une exploitation semblable : on peut alors mener le bois jusqu'aux usines à fer et y effectuer la carbonisation dans des fours installés d'une façon permanente.

CARBONISATION DES COMBUSTIBLRS 219

Ces fours soat le plus souvent de vastes chambres en maçonnerie pouvant atteindre un millier de mètres cubes de capacité : parexemple, 15 m. de long sur 12 m. de large et 5,50 m. de hauteur. Ces fours sont chauffés par des alandiers, c'est-à-dire des foyers latéraux qui envoient au milieu de la masse de bois les produits de la combustion. Comme dispositions, mais non comme dimensions, ces fours sont analogues à ceux qui servent pour la cuisson des produits réfractaires.

Le rendement en charbon dans ces fours peut s'élever à 26 0/0 du bois sec; cet avantage, il est vrai, est compensé en partie par des frais d'amortissement n'existant pas dans la cuisson en meules.

On a récemment appliqué au Canada le dispositif des fours, dits tunnel^ à la carbonisation du bois. Ces fours sont constitués, comme leur nom Tindique par un long tunnel en maçonnnerie, chauflé dans sa partie médiane par un foyer latéral; le bois chargé sur des wagons en fer d'une contenance de 7 m* environ entre par une extrémité du tunnel au moyen d'une porte maintenue fermée pendant la carbonisation ; on introduit à la fois quatre wagons, pendant qu'on en sort autant à Tautre extrémité; les wagons sortants contiennent le charbon de bois formé. L'extrémité de la galerie voisine de la porte de sortie est faite en tôle pour obtenir un refroidissement plus énergique et permettre au charbon de sortir assez froid pour ne pas s'enflammer à l'air. •

La durée de séjour des wagons dans le four est de 24 heures, il y en a une douzaine à la fois dans le tunnel, dont quatre se trouvent en période de caibonisation dans la région chaude. Des orifices ménagés dans la voûte au voisinage de la zone chauflée permettent de recueillir les vapeurs et gaz produits. On condense les goudrons et Teau chargée d'acide acétique, puis Ton utilise le gaz pour le chauffage du tunnel.

CARBONrSATION DES COMBUSTIBLES 221