Memoire Online - Conditions optimales de production de charbon de bois par la meule traditionnelle

C'est une unité de mesure du bois empilé correspondant à un volume de 1 m ^3.(Encarta 2010). Il s'agit d'un ensemble de rondins de bois découpés sur 1 mètre de longueur et empilés sur 1 mètre de hauteur et 1 mètre de largeur. Les rondins formants 1 stère peuvent être de diamètres homogènes ou non. Seul le volume final qu'ils représentent (1m³) importe. Ce qui implique qu'ils puissent également être de masse totale différente (Encyclopédie Universalis 2011).

2.3. Carbonisation

C'est la pyrolyse (décomposition thermique en l'absence d'air) du bois avec pour finalité le charbon de bois. (Doat et Petroff, 1975). C'est un processus exothermique complexe à plusieurs étapes (Tableau 1):

- dès 100°C, il y a séchage de la matière par dégagement de vapeur d'eau. Les composés volatils et le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et l'acide acétique sont aussi libérés,

- vers 300°C, le bois s'enflamme et dégage des gaz oxygénés et des hydrocarbures (méthane, éthane, éthylène). Parallèlement, se forment des produits comme l'acide acétique, le méthanol et l'acétone, ainsi que des goudrons légers. Le charbon atteint une teneur de 80 % environ de carbone,

- aux alentours de 400-500°C, les hydrocarbures plus lourds s'échappent et le taux de

- jusqu'à 700°C, les composés contenant de l'hydrogène s'évaporent, ce qui conduit à

Tableau 1: Etapes de la carbonisation et produits obtenus (DOAT & PETROFF, 1975)

Période de	Départ	Dégagement	Début du départ	Phase à hydrocarbures	Phase à Dissociation ^hydrogène 500-700 700-900 89 91
carbonisation	de l'eau	gaz oxygénés	des
			hydrocarbures
Température °C	150-200	200-280	280-380	380-500
Teneur en carbone	60	68	78	84
Gaz non
condensables (%)
CO2	68	66,5	35,5	31,5	12,2	0,5
CO	30	30	20,5	12,3	24,6	9,7
H2	0	0.2	6,5	7,5	42,7	80,9
Hydrocarbures	2	3,3	37,5	48,7	20,5	8,9

Pour différents bois la teneur en cendres peut varier. Mais cette variation est généralement peu importante comparée a l'écorce qui en revanche a une teneur en cendres excessive, et donne un charbon trop friable pour la plupart des usages. C'est pourquoi, chaque fois que possible, l'écorce ne doit pas être utilisée, ou bien sa proportion dans la charge de bois doit être réduite au minimum. (FAO, 1983).

Ce qui compte en définitive, c'est la masse de charbon de bois marchand produite par unité de masse de matière ligneuse. Le volume de bois produit à l'hectare ne donne qu'une indication approchée de la masse de matière ligneuse produite. Un fort accroissement en volume peut correspondre à une faible densité, et par conséquent à un faible rendement en charbon par unité de volume de bois. Un bois plus dense, par ailleurs, fournit généralement un charbon plus dense, moins friable (Figure 1).

Figure 1: Corrélation entre densité des bois et densité des charbons (CTFT, 1985)

L'humidité est un facteur très important en matière de carbonisation. Elle a une influence négative sur le rendement (figure 2) ainsi que la durée de carbonisation. En effet comme présentée sur la figure 2a, le rendement diminue avec le taux d'humidité croissant du bois. L'influence négative de l'humidité sur la durée de carbonisation réside dans le fait qu'elle l'augmente ; entrainant ainsi d'autres couts relatifs surtout a la main d'oeuvre et la conduite des techniques de carbonisation (figure 2b).

Figure 2:Rendement en fonction de l'humidité du bois(a) et influence de l'humidité sur la

La demande en bois sec pour une bonne carbonisation introduit également la notion de séchage du bois qui s'avère être une opération très importante avant carbonisation. Celui-ci n'est pas toujours réalisé par les charbonniers qui n'y voient qu'un intérêt secondaire. Il existe plusieurs techniques de séchage (air libre ou dans différents types de séchoirs). Mais en exploitation forestière la plus simple est le séchage à l'air libre. Une étude du CTB a permis d'établir une relation entre humidité du bois et temps de séchage (figure 3). Elle propose de laisser sécher les bois jusqu'à environ 20 à 25% sur brut avant de les carboniser.

Figure 3: Humidité de rondins en fonction du temps et du mode de stockage (CTB, 1985)

Par ailleurs une étude conduite par D. Louppe, A. Oteng-Amoako, M. Brink sur le séchage des planches de Teck présente les variations du taux d'humidité en fonction du nombre de jours de séchage. Celles-ci ont été résumées dans le Tableau 2 (PROTA, Bois d'oeuvre 2010). Ces résultats permettent de constater qu'il y a une relation entre la durée du séchage et le diamètre des planches.

La vitesse de carbonisation est en relation étroite avec la taille des bois. Les gros morceaux se carbonisent lentement, du fait que la transmission de chaleur à l'intérieur du bois est relativement lente. La sciure de bois, par exemple, peut être carbonisée très rapidement, mais le charbon pulvérulent obtenu n'a qu'une valeur marchande faible. D'une autre côté, les troncs de gros diamètre d'essences denses peuvent éclater à la carbonisation, en donnant un charbon plus friable. Des études ont montré qu'on obtenait un charbon de propriétés optimales pour la sidérurgie avec des bois de 2,5 à 8 cm de section transversale. La longueur dans le sens du fil a peu d'influence (FAO, 1985). On peut éviter les difficultés de carbonisation en plaçant les plus gros morceaux au centre de la charge. Il est recommandé d'étudier attentivement la relation entre croissance, séchage et charge de carbonisation pour déterminer les dimensions optimales des bois, tant en longueur qu'en diamètre, de façon à réduire au minimum les frais de manipulation et de carbonisation, et obtenir un charbon de propriétés optimales pour l'usage auquel il est destiné.

La température de carbonisation est le facteur le plus important qui conditionne les propriétés physico-chimiques du charbon de bois. Une température de carbonisation basse donne un rendement en charbon plus élevé mais de basse qualité car corrosif en fonction des goudrons acides qu'il contient (cf. Tableau 1) et ne brule pas avec une flamme claire sans fumée. Un bon charbon de bois commercial doit avoir une teneur en carbone pur d'environ 75%, ce qui demande une température finale de carbonisation de l'ordre de 500°C (Figure4 et Tableau 3).

Figure 4: Evolution des produits de pyrolyse (charbon, pyroligneux et gaz) en fonction de la température (CTB, 1985)

Tableau 3: Température de carbonisation, composition chimique et rendement en charbon de bois (FAO, 1983)

Charbon de bois : Le charbon de bois est un terme usuel pour définir un carbonisât de bois et de certains matériaux organiques naturels. Sa densité est de 110 à 180 kg. m^-3. Il possède un pouvoir calorifique supérieur au bois pour une même masse anhydre (respectivement 4500 kcal.kg-1 et 7000 kcal.kg-1) (FAO, 1987)

Fumerons ou incuits : bois qui n'ont pas été correctement transformés en charbon au cours de la carbonisation. La détermination de leurs poids total est importante dans les calculs de rendement. (FAO, 1987)

Pour éviter toute évaluation erronée d'une carbonisation, il est important de définir et de préciser les notions de rendements. Les valeurs de rendement pondéral sont très différentes selon qu'elles sont exprimées en masse de charbon par stère, en masse de charbon par masse de bois initial humide ou en masse de charbon par masse de bois anhydre. Ce dernier est le seul qui permet une comparaison assez rigoureuse de plusieurs carbonisations. On définit par ailleurs un rendement énergétique de la transformation de la matière première en charbon, qui est le rapport entre l'énergie calorifique potentielle du charbon produit et l'énergie calorifique potentielle du bois brut initial. Le rendement d'une carbonisation dépend de l'humidité du bois enfourné, de la température finale de carbonisation, de la qualification de l'opérateur et de l'appareillage utilisé. Il est en moyenne de 15% pour la meule et de 25% pour les fours métalliques à combustion partielle(e). La notion de rendement volumique (volume charbon produit/volume bois initial) intéresse plus particulièrement le producteur qui vend le charbon en litre. Cette notion est peu précise, puisque la quantité du bois anhydre contenue dans un même volume n'est pas constante selon l'essence, l'humidité et les dimensions.

Conditions optimales de production de charbon de bois par la meule traditionnelle

2.2. Stère de bois

2.3. Carbonisation