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LE CHARBON DANS L’INDUSTRIE SUCRIERE EN FRANCE (1820-1960)

par M. Denis Denis

1- Production de vapeur en sucrerie, par combustion du charbon

Préambule
L’utilisation du charbon comme combustible dans l’industrie sucrière a débuté avec celle-ci, en France, pour la fabrication du sucre à partir de la betterave sucrière. Cette utilisation a perduré jusque dans les années 1950-1960.
Ensuite on est passé au fioul lourd, celui-ci étant d’une utilisation plus facile et, surtout, plus économique.
À partir de 1974, les prix du pétrole étant devenus dissuasifs, le charbon en profite pour faire un retour en force dans l’industrie sucrière et de la déshydratation de la pulpe de betteraves et de la luzerne.
(NDLR) Rappelons ici qu’il s’agit de produire de la vapeur destinée à des installations fixes, non tributaires du poids, à l'opposé des générateurs haute pression pour des engins roulants où le poids et l’encombrement sont un facteur limitant. Les installations des sucreries et autres industries à poste ont pour vocation d’alimenter des réchauffeurs et parfois des moteurs (comme des pompes à eau) dont la cylindrée importante et le poids ne sont pas un facteur aggravant.

Type de charbon et teneur en carbone :
            Tourbe                        50%
            Lignite                        55%
            Houille                       75%
            Anthracite                 90%

Le pouvoir calorifique du charbon :
Anthracite : 7760Kcal/Kg ou 32490Mj/kg ou 9,03 KWh/kg.
Houilles : 7285Kcal/Kg ou 30500Mj/kg ou 7,5 KWh/kg.
Lignite : 4750Kcal/Kg ou 19880Mj/kg ou 5,53 KWh/kg.

Caractéristiques des charbons industriels :

Les anthracites ne renferment qu’une faible proportion de matières volatiles. 90 à 94% de carbone fixe et s’enflamment difficilement. En masse, ils donnent un bon feu avec peu de flammes et sans fumées.

Les houilles maigres contiennent 7 à10% de matières volatiles et 90 à 93% de carbone fixe, et brûlent avec une flamme courte et peu de fumées.

Les houilles demi-grasses contiennent 10 à 15% de matières volatiles et 85 à 90% de carbones fixe et s’agglutinent au feu.

Les houilles grasses contiennent 15 à 20% de matières volatiles et 80 à 85% de carbone fixe. Elles ramollissent au feu, fondent en partie et prennent en masse.

Les houilles sèches contiennent 20 à 25% de matières volatiles et 75 à 80% de carbone fixe. Elles donnent des flammes abondantes, sans s’agglomérer.

Les lignites donnent une fumée abondante, d’une odeur désagréable, de l’eau en quantité importante et ont un pouvoir calorifique faible.

Les schlamms sont des résidus de lavage des houillères dont la combustion est difficile. Pour les brûler, il faut des grilles spéciales. Cependant, il est très économique à l’achat et à l’emploi sur place.

2- La combustion du charbon :

La combustion du charbon est, en général, assez difficile à maîtriser. En effet, les poids du combustible doit être bien proportionné et en équilibre constant.

On compte 1kg de houille et 11kg d’air sec pour une bonne combustion. (1kg d’air sec est égal à 9000 litres).

Le taux de combustion est la capacité de brûler un certain poids de charbon par m2 de surface de grille et par heure.

(NDLR) Les installations industrielles brûlent, en moyenne, 80kg de charbon par m2 de grille (lorsque les locomotives atteignent 500kg/m2 !).

 

 

Le foyer des générateurs de vapeur se compose :
· D’une chambre de combustion,
· D’une grille, fixe ou mobile,
· D’un cendrier,
· D’une admission d’air primaire, sous la grille
· D’une admission d’air secondaire, au-dessus de la grille,
· D’un dispositif de chargement du combustible, manuel ou automatique,
· D’un dispositif de décrassage des grilles et d’évacuation des cendres et mâchefers.

Les types de grilles :

La grille est constituée de barreaux en fonte ou en acier fondu. L’espace entre les barreaux est déterminé en fonction du calibre des charbons utilisés.
Dans les foyers de grande puissance, les barreaux de grille sont refroidis par une circulation d’eau interne.
Pour les foyers de puissance moindre, le refroidissement de la grille est assuré par la circulation d’air entre les barreaux.

Suivent quelques schémas simplifiés des différents types de grilles :

Les grilles de chaudières-1
Les grilles de chaudières-2

3- Les chaudières ou générateurs de vapeurs :
Pour produire de la vapeur d’eau, il est nécessaire de mettre en contact, via des faisceaux de tubes en fonte, la chaleur émise par les gaz de combustion du charbon et de l’eau circulant à plus ou moins haute pression. On distingue deux catégories de chaudières à vapeur :

Les chaudières à tubes de fumée :
Dans ce type de générateur, les gaz de combustion circulent à l’intérieur des tubes, par contre, l’eau se trouve à l’extérieur de ces mêmes tubes. Ces unités conviennent aux basses et moyennes pressions. Elles sont en majorité dans tous les types d’industries et entrent aussi dans la conception des locomotives à vapeur.
Certaines sucreries utilisent, ou ont utilisé, des chaudières à tubes de fumées, pour alimenter en vapeur vive les tuyères des thermocompresseurs de leurs ateliers d’évaporation.

Les chaudières à tubes d’eau :
Ici c’est tout à fait l’inverse. Les gaz de combustion circulent à l’extérieur des tubes et c’est l’eau qui est à l’intérieur de ces mêmes tubes. Ces chaudières conviennent parfaitement pour les moyennes et hautes pressions. C’est le type de chaudière que l’on retrouve dans l’industrie sucrière, en règle générale.

Cinq chaudières, de type Stirling, ont été installées à la sucrerie de Vierzy (Aisne) en 1934. Elles ont été transformées en 1970 à la chauffe au fioul lourd. Elles ont ensuite été remplacées par une chaudière Duquenne de 55T/h de vapeur à 42 bars, chauffée au fioul lourd. L’extinction de celle-ci est survenue en 1991.

4- Classification des générateurs de vapeurs :
Chaudière Cornouailles : à un ou deux tubes-foyers intérieurs avec ou sans faisceaux tubulaires. Unités très anciennes.

Chaudières à tubes horizontaux : C’est le type le plus répandu dans l’industrie sucrière. Fin 19e et début 20e. Brevet Babcock-Wilcox.

Chaudières à tubes verticaux : En général ce sont des unités de grande puissance. Elles produisent 500T/H de vapeur à 100 bars et à 550. Elles sont utilisées dans les centrales thermiques des producteurs d’électricité.

Chaudière procédé Sulzer : Elle est constituée de plusieurs petits tubes en parallèle sur une très grande longueur (parfois plus de 1000m au déroulé, coudés ou en épingles) qui remplissent à la fois les rôles de vaporisateur, surchauffeur, économiseur. La vaporisation est très rapide. Le rendement est très important mais sa conduite délicate.

Chaudière suralimentée : La combustion dans le foyer est effectuée sous pression d’air de 2 à 3 bars. La vitesse des gaz de combustion atteint 200m/s.
Son système d’évaporation est à peu près identique au procédé Sulzer. Le rendement est très important et atteint 500kg de vapeur par m2 de surface d’échange et par heure.

Chaudière Stirling : Elle comporte des faisceaux tubulaires très inclinés et reliés à de nombreux collecteurs. On compte trois collecteurs supérieurs et un ou deux collecteurs inférieurs. La capacité d’évaporation est importante. Sa construction est complexe pour l’époque.

Deux exemples de chaudières destinées à l'industrie sucrière
Types de chaudières 1
Types de chaudières-2

5- Les constructeurs de chaudières à vapeur pour l’industrie sucrière en France

De 1850 environ jusqu’aux années 1950, il existe en France deux principaux constructeurs de matériels de sucreries et de chaudières à vapeur liés au processus de fabrication spécifique.
Ce sont :
-       La Compagnie Jean-François Cail & Charles Derosne de Chaillot, puis Société Française de Construction Mécanique Anciens établissements Cail à Denain.
-       - La Compagnie de Fives-Lille, anciennement Parent-Schaken-Caillet & Cie. à Fives.
En 1958 les deux entreprises fusionnent pour devenir la Société Fives-Lille-Cail.
En 1973, cette société se regroupe avec la Société Babcock-Atlantique et donne naissance au groupe industriel Fives-Cail-Babcock (FCB).
D’autres constructeurs français et étrangers ont été sur le marché mais à un degré moindre.
6- Quel avenir pour le charbon dans l’industrie sucrière.

Pour le moment, l’utilisation du charbon dans les industries semble stabilisée et il reste le seul combustible solide utilisé en parallèle avec le gaz naturel. En effet, l’utilisation du fioul lourd semble être totalement abandonné depuis quelques années.

Il est actuellement étudié l’utilisation des énergies renouvelables, telles que la biomasse (NDLR : qui a toujours été l’une de ressources principales des chaufferies, dans les sucreries exploitant la canne à sucre).

Un grand groupe sucrier a un projet en cours de développement d’une unité de cogénération (électricité + vapeur) de 35T/h de vapeur à 43 bars, qui utilise de la paille, du bois déchiqueté et des résidus de silos de céréales.

Il est à noter qu’il existe aujourd’hui, une grande usine de déshydratation de pulpes et luzernes, située dans les Ardennes, qui utilise, à titre d’essai, du Miscanthus mélangé à du charbon, pour chauffer ses fours.

(NDLR : recherche Internet, source Wikipedia)
wikipedia = Miscanthus_giganteus
Le miscanthus géant (Miscanthus × giganteus) est une espèce hybride de plantes herbacées de la famille des Poaceae. Elle fut créée dans un but de production énergétique : certaines espèces du genre Miscanthus (des « herbes à éléphant ») rencontrent un intérêt croissant de la part de l’industrie et d’une partie du monde agricole, en raison de sa productivité et de sa teneur en lignocelluloses. Miscanthus x Giganteus n'est pas une espèce invasive.

7- Conclusion
Le charbon a encore de belles années devant lui, malgré les coûts de transport.
Mais qu’adviendra-t’il quand les générateurs actuels arriveront à leur terme d’utilisation ?
Une chaudière à charbon a un coût très élevé par rapport à une chaudière chauffée au gaz naturel, plus aisé à transporter aujourd’hui.
Espérons que le charbon n’ait pas dit son dernier mot.

Denis Denis
Le 12 juin 2013

Suivent deux images des friches de la chaufferie de la sucrerie de Vierzy en 1999, avant démantellement, prises par M. Denis Denis.
Vierzy1
vue d'ensemble du bâtiment - © Denis Denis
Vierzy2
4 chaudières équipées en fioul lourd, avant dépose. - © Denis Denis

Francières
Une vue de la chaufferie de Francières, après dépose des chaudières. © ASSF