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Les fibres de carbone sont traitées dans la partie matériaux.

La teneur moyenne de l'écorce terrestre est de 0,2 %. Il est présent :
- A l'état natif sous forme de graphite et diamant.
- Plus ou moins combiné à l'hydrogène et l'oxygène dans les charbons.
- A l'état combiné dans les hydrocarbures (pétrole, gaz naturel), les carbonates (calcaire, dolomie), le dioxyde de carbone (dans l'eau, l'atmosphère), voir les chapitres consacrés à ces différents produits, ainsi que dans la matière vivante.

 

CHARBON
(1 t de houille = 0,619 tep, 1 t de lignite = 0,405 tep)

 

C'est une roche renfermant suffisamment de carbone pour être utilisable comme combustible.

 

ÉTAT NATUREL : les charbons proprement dits se sont formés par fossilisation de végétaux, à l'abri de l'air, à l'ère carbonifère, entre 360 et 290 millions d'années, dans des bassins sédimentaires. Les lignites, sont plus jeunes. Les charbons et lignites sont constitués de carbone, de matières volatiles (dihydrogène, hydrocarbures) qui s'enflamment et d'impuretés minérales (schistes…) qui donnent, après combustion, les cendres.

La teneur en carbone des charbons est d'autant plus élevée qu'ils sont plus anciens. On distingue les charbons par leur teneur en carbone, leur pouvoir calorifique (quantité de chaleur en millithermie dégagée par 1 kg de charbon) ou en fonction de leurs propriétés et utilisations, par exemple :
- Gras, charbons à coke ou charbons métallurgiques qui sont utilisés pour produire le coke métallurgique.
- Flambants ou charbons-vapeur qui sont utilisés pour produire de l'énergie dans les chaudières industrielles. Ce sont les charbons les plus abondants.

Classification d'après la teneur en carbone :

- La tourbe ou lignite brun est de formation récente, au quaternaire. Elle renferme de 25 à 35 % de carbone, 30 % d'oxygène, 6 % d'hydrogène et est extraite des marais.
- Le charbon sub-bitumineux ou lignite noir s'est formé au tertiaire. Il renferme de 35 à 45 % de carbone, 25 % d'oxygène, 5 % d'hydrogène.
- Le charbon bitumineux s'est formé à l'ère primaire (carbonifère, 250 à 300 millions d'années). Il renferme de 45 à 86 % de carbone.
- L'anthracite contient plus de 86 % de carbone. Il est très recherché, mais les réserves mondiales sont peu abondantes. Il est principalement utilisé pour le chauffage domestique individuel.

Exploitations minières :

A ciel ouvert ou découvertes : le charbon est exploité ainsi lorsque la couche de stérile ne dépasse pas de 200 à 400 m d'épaisseur.
Elles présentent l'avantage, par rapport aux exploitations souterraines, d'une productivité nettement supérieure (les dernières mines mises en exploitation extraient de 10 à plus de 30 millions de t par an), d'une mise en exploitation plus rapide (2 à 5 ans, au lieu de 10 ans), de coûts d'exploitation plus réduits, de taux de récupération qui peuvent atteindre plus de 90 % et de conditions de travail moins dangereuses. L'activité minière est dans ce cas une activité de type travaux publics. Par exemple, en France, pour l'exploitation de la "Grande Découverte" de Carmaux, 82 millions de t de stériles ont été déplacées pour extraire, en 10 ans, 1,2 million de t de charbon.

La plus grande exploitation, à ciel ouvert, dans le monde, est celle de Cerrejón, dans la péninsule de Guajira, au Nord-Est de la Colombie. Le gisement s'étend sur 69 000 hectares et le complexe minier, comprenant, la mine, la voie ferrée et le port, est propriété à parts égales d'Anglo American, BHP Billiton et Glencore. L'exploitation minière utilise 240 camions de 320, 240 et 190 t de capacité. La production de 33,1 millions de t, en 2016, est acheminée par voie ferrée, sur 150 km, par des convois pouvant atteindre 130 wagons, jusqu'à Puerto Bolivar sur la mer des Caraïbes. Le charbon est destiné exclusivement à l'exportation. Les réserves prouvées et probables sont de 1,9 milliard de t.

Dans le monde, les exploitations minières sont de plus en plus à ciel ouvert. La moyenne mondiale est de 40 %, en 2006, alors qu'elle était de 22 % en 1970. Les exploitations australiennes sont à 80 % à ciel ouvert, celles des États-Unis à 66 %.

Souterraines : les mines sont exploitées selon deux méthodes.
- La méthode des chambres et piliers laisse subsister des piliers maintenant la voûte, ces piliers pouvant renfermer 40 % du charbon présent initialement. Les piliers peuvent être parfois, ensuite, abattus,
- celle de longue taille exploite un front de taille sur 3 à 4 km de long et 250 à 400 m de large, en maintenant temporairement la voûte par des vérins hydrauliques puis en la laissant s'effondrer derrière l'exploitation, c'est le foudroyage qui permet de récupérer environ 75 % du charbon contenu.

Une unité d'exploitation comporte au moins 2 puits reliés entre eux par un ensemble de galeries pour assurer la circulation d'air (aérage) afin de diluer le grisou (CH4) et abaisser la température. Du diazote sous pression est utilisé comme gaz d'inertage, à titre préventif et curatif, pour traiter les zones déjà exploitées dans lesquelles le charbon restant a tendance à s'échauffer par oxydation à l'air.
L'eau est évacuée (exhaure) par une cascade de pompes vers la surface (les débits moyens sont de 20 à 30 m3/min/unité).

Exemple du bassin de Lorraine exploité par les Houillères du Bassin de Lorraine (groupe Charbonnages de France), les dernières unités de production ayant fermé en 2004.
Le gisement lorrain est le prolongement, en France, du gisement exploité depuis le XVIème siècle en Sarre où il affleure. L'exploitation a débuté, en 1856, à Petite-Rosselle. La structure géologique du gisement est complexe. L'inclinaison des veines de charbon varie de l'horizontale ("plateures" entre 0 et 30° d'inclinaison) à la verticale ("dressants" pour une inclinaison > 65°), en passant par les "semi-dressants". Avant la fin de l'exploitation, 3 unités exploitaient des "plateures" : La Houve à Creutzwald (profondeur : 1 000 m), Reumaux à Freyming-Merlebach (profondeur : 1 250 m) et Forbach. Une unité (Vouters à Freyming-Merlebach) exploitait les "dressants".

Concentration : après extraction, le charbon brut est dirigé vers des lavoirs. Il est immergé dans un liquide dense composé d'eau et de particules de magnétite en suspension afin d'augmenter la densité du milieu. Ainsi, le charbon plus léger, flotte à la surface et est récupéré par raclage et les schistes, plus denses, coulent au fond du bac.

 

PRODUCTIONS : en millions de tonnes de tous types de charbons, en 2016. Monde : 7 460, Union européenne : 485.

Chine 3 411 Russie 385
Inde 692 Afrique du Sud 251
États-Unis 661 Allemagne 176
Australie 493 Pologne 131
Indonésie 434 Kazakhstan 102
Source : BP Statistical Review of World Energy

En 2014, en Chine, on compte près de 12 000 mines, après la fermeture de 628 mines en 2012, 770 mines en 2013, 1 725 mines en 2014. La production chinoise est située dans le nord du pays, en particulier dans la province de Shanxi, avec, en 2014, 977 millions de t, de Mongolie Intérieure, avec 908 millions de t et de Shaanxi, avec 511 millions de t alors que les régions consommatrices sont situées à l'est. Le charbon représente actuellement 40 % du fret transporté par les chemins de fer chinois, le charbon extrait en Chine étant transporté à 60 % par rail. La production est assurée, en 2014, à 62 % par des compagnies d'Etat.

En 2015, aux États-Unis, les principales mines en activité sont les suivantes, en millions de t :

North Antilope Rochelle (Peabody) 99,1 Belle Ayr 16,6
Black Thunder (Arch Coal) 90,2 Spring Creek (dans le Montana, par Cloud Peak Energy) 15,4
Antelope Coal (Cloud Peak Energy) 31,9 Rawhide (Peabody) 13,8
Cordero (Cloud Peak Energy) 20,8 Freedom (dans le Dakota du Nord) 13,0
Eagle Butte 17,8 Buckskin 12,4
Source : EIA

Ces mines sont toutes à ciel ouvert et situées dans le Wyoming, sauf Spring Creek et Freedom. La première mine souterraine, Mc#1 Mine, dans l'Illinois, est située au 12ème rang avec, en 2015, une production de 9,6 millions de t. Au total, aux Etats-Unis, il y a, en 2015, 853 mines en activité.

En Australie, en 2015, sur une production totale de 437 millions de t, la production provient du Queensland à 54 %, principalement de charbon métallurgique et de Nouvelle Galles du Sud à 44 %, principalement de charbon-vapeur. La production de lignite provient principalement de la province de Victoria.

Production de charbon-vapeur, en millions de t, en 2015. Monde : 5 811, Union européenne : 79.

Chine 2 916 Indonésie 466
États-Unis 691 Australie 252
Inde 593 Afrique du Sud 248
Source : IEA

Production de charbon-métallurgique, en millions de t, en 2015. Monde : 1 090, Union européenne : 21.

Chine 611 États-Unis 57
Australie 191 Inde 54
Russie 78    
Source : Euracoal

Production de lignite, en millions de t, en 2015. Monde : 807.

Allemagne 178 Turquie 50
Russie 73 Grèce 46
Australie 65 Inde 43
États-Unis 64 République tchèque 38
Pologne 63 Serbie 38
Source : Euracoal

En 2014, le lignite représente 10 % de la production mondiale et 74 % de celle de l'Union européenne avec 96 % de la production allemande, 44 % de celle de la Pologne, 20 % de celle de la Russie, 12 % de celle de l'Australie, 8 % de celle des États-Unis et 7 % de celle d'Inde.
La production chinoise de lignite, non prise en compte par l'IEA, serait de 272 millions de t.

Productions de l'Union européenne : en 2016, en millions de t de houille et ( ) de lignite. Total : 87 (371).

Pologne 70,4 (60,2) Roumanie (23,0)
Royaume Uni 4,2 Grèce (32,6)
République tchèque 6,8 (38,5) Hongrie (9,2)
Allemagne 4,1 (171,5) Slovénie (3,3)
Espagne 1,7 Slovaquie (1,8)
Bulgarie (31,2) - -
Source : Euracoal

Dans l'Union européenne, en 2015, la production minière de charbon emploie 184 710 personnes.

En Allemagne, en 2017, il reste 2 mines souterraines de production de houille en activité, Prosper-Haniel dans la Ruhr et Ibbenbüren en Rhénanie du Nord-Westphalie qui produit de l'anthracite. La dernière mine de Sarre a fermé en juin 2012, Auguste Viktoria dans la Ruhr a fermé le 1er janvier 2016.
La production de lignite, à ciel ouvert, est réalisée dans quatre régions :
- Rhineland, dans la région de Cologne, Aachen et Mönchengladbach, avec 95,2 millions de t, en 2015, dans 3 mines.
- Lusatian, au Sud-Est du Brandenburg et au Nord-Est de la Saxe, avec 62,5 millions de t, dans 4 mines.
- Centre, au sud de Leipzig, avec 18,9 millions de t, dans 2 mines.
- Amsdorf, en Basse Saxe, avec 330 000 t.
Les réserves sont, en 2015, de 2,5 milliards de t de houille et 36,2 milliards de t de lignite.

Commerce international :

Les exportations ont porté, en 2016, sur 1 333 millions de t dont 1 010 de charbon-vapeur, 314 millions de t de charbon à coke et 9 millions de t de lignite.

- Principaux pays exportateurs, en 2016, en millions de t, sur un total de 1 333 :

Australie 389 Colombie 83
Indonésie 370 Afrique du Sud 76
Russie 171 Etats-Unis 55
Source : IEA

Les exportations de l'Australie sont destinées, en 2015, au Japon pour 32 %, à la Chine pour 18 %, à la Corée du Sud pour 15 %, à l'Inde pour 12 %, à Taïwan pour 8 %, à l'Union européenne pour 5 %.
Les exportations de l'Indonésie sont destinées, en 2015, à l'Inde pour 30 %, à la Chine pour 22 %, au Japon pour 9 %, à la Corée du Sud pour 9 %.
Les exportations de la Russie sont destinées, en 2015, à l'Union européenne pour 45 %, à la Corée du Sud pour 16 %, au Japon pour 12 %, à la Chine pour 11 %.
Les exportations de Colombie sont destinées, en 2015, à l'Union européenne pour 50 %, aux Etats-Unis pour 8 %, à Israël pour 7 %, au Brésil pour 6 %. En 2016, elles représentent 92,1 % de la production du pays.
Les exportations d'Afrique du Sud sont destinées, en 2015, à l'Inde pour 52 %, à l'Union européenne pour 18 %, à la Turquie pour 9 %, au Maroc pour 6 %.
Les exportations des Etats-Unis sont destinées, en 2015, à l'Union européenne pour 45 %, au Brésil pour 9 %, à la Corée du Sud pour 8 %, au Canada pour 8 %.

- Principaux pays importateurs, en 2016, en millions de t, sur un total de 1 331 :

Chine 256 Pays Bas 55
Inde 200 Allemagne 54
Japon 189 Turquie 36
Corée du Sud 134 Malaisie 29
Taïwan 66 Russie 24
Source : IEA

En 2016, les importations de l'Union européenne, avec un total de 164 millions de t, proviennent de Russie à 32,5 %, de Colombie à 23,2 %, d'Australie à 15,8 %, des États-Unis à 14,3 %, d'Afrique du Sud à 6,1 %, d'Indonésie à 3,2 %...

Principaux producteurs de charbon : en millions de t, en 2016.

Coal India (Inde) 554 Anglo American (Afrique du Sud) 95
Shenhua Energy (Chine) 304 Arch Coal (États-Unis) 93
Peabody Energy (États-Unis) 176 Bumi Resources (Indonésie) 86
Shaanxi Coal & Chemical Industry (Chine), en 2014 140 China Coal Energy (Chine) 81
Glencore (Suisse) 125 BHP Billiton ( Australie) 77
SUEK (Russie) 105 Cloud Peak Energy (Etats-Unis) 68
Sources : rapports annuels des sociétés

- Coal India exploite, en Inde, 430 mines, avec une production, en 2016-17, de 31,5 millions de t dans des mines souterraines et 522,7 millions de t dans des mines à ciel ouvert. La production a été de 54,6 millions de t de charbon métallurgique et 499,5 millions de t de charbon vapeur. Le groupe est contrôlé à 80 % par l'Etat indien.

- En 2016, les ventes totales de Shenhua Energy ont porté sur 465 millions de t avec des réserves de 16 milliards de t. La production a été de 202 millions de t en Mongolie intérieure et de 98 millions de t dans la province de Shanxi. Par ailleurs, Shenhua a produit par gazéification du charbon, en 2014, 265 500 t de polyéthylène et 268 100 t de polypropylène.

- Peabody Energy, sous protection de la loi sur les faillites, depuis avril 2017, exploite 23 mines, principalement aux États-Unis (Wyoming, Colorado, Arizona, Nouveau Mexique, Illinois et Indiana), mais aussi en Australie (10 mines dans le Queensland et en Nouvelle Galles du Sud avec 33 millions de t, en 2016). Ses réserves prouvées et probables sont de 4,024 milliards de t dont 3,538 milliards de t aux Etats-Unis. La mine de charbon la plus importante de la société, à ciel ouvert, est celle de North Antelope Rochelle (Wyoming) avec 99,1 millions de t, en 2015, et un total de plus de 1 milliard de t depuis l'ouverture de la mine. Elle exploite également l'une des plus importante mine souterraine d'Amérique du Nord, celle de Twentymile (Colorado) avec 2,0 millions de t en 2016.

- Glencore exploite 33 mines, en Australie avec une production, en 2016, de 67,6 millions de t, en Afrique du Sud avec une production de 29,3 millions de t et en Colombie (avec les mines de Calenturitas et La Jagua ainsi que 33,3 % de la mine de Cerrejón) avec 28 millions de t. Les réserves prouvées et probables sont de 4,1 milliards de t.

- SUEK (Siberian Coal Energy) exploite, en Russie, 12 mines souterraines et 15 mines à ciel ouvert, dans les régions de Kemerovo, Khakasia, Krasnoyarsk, Buryatia, Zabaikalye, Khabarovsk et Primorye. La production, en 2016, a été de 71,3 millions de t de houille et 34,1 millions de t de lignite brun. Elle a été réalisée à ciel ouvert pour 69,6 millions de t et souterrainement pour 35,8 millions de t. Les ventes à l'export ont été, en 2016, de 51,9 millions de t. Les réserves sont de 5,4 milliards de t.

- Anglo American a produit, en 2016, en Afrique du Sud avec 10 mines, 53,8 millions de t de charbon-vapeur, en Colombie avec 33,3 % de la mine de Cerrejón, 10,7 millions de t de charbon-vapeur, en Australie avec 8 mines, 9,5 millions de t de charbon-vapeur et 20,9 millions de t de charbon-métallurgique. Les réserves prouvées et probables sont de 1,9 milliard de t.

- Arch Coal, sous protection de la loi sur les faillites, depuis octobre 2016, exploite 12 mines aux États-Unis, la plus importante, Black Thunder, dans le Wyoming, a produit, en 2015, 90,2 millions de t. Les réserves prouvées et probables sont de 1,3 milliard de t.

- Bumi Resources exploite du charbon en Indonésie, au travers de 4 filiales, KPC, à 51 %, Arutmin à 70 % et FBS à 50 % à l'est de Kalimantan et PEB à 84,5 % au sud de Sumatra. KPC exploite, les mines de Sangatta et Bengalan. Arutmin exploite 6 mines. Les réserves sont de 2,2 milliards de t. Les exportations ont été de 55,2 millions de t vers l'Inde à 38,1 %, le Japon à 22,2 %, la Chine à 19,0 %, les Philippines à 9,5 %...

- China Coal Energy a vendu, en 2016, 132 millions de t de charbon. Les réserves sont de 19 milliards de t. A partir du charbon, la production a été de 1,98 million de t d'urée, 651 000 t de méthanol, 358 000 t de polyéthylène, 353 000 t de polypropylène.

- BHP Billiton a produit, en 2016, 34,2 millions de t de charbon-vapeur et 42,8 millions de t de charbon métallurgique. Les exploitations minières sont situées en Australie, dans les provinces du Queensland et en Nouvelle Galles du Sud, aux États-Unis, dans l’État du Nouveau-Mexique et en Colombie avec 33,33 % de la mine de Cerrejón. Les réserves prouvées et probables sont de 5,1 milliards de t. En Australie, dans le Queensland, la production est réalisée d'une part en association 50/50 avec Mitsubishi pour 7 mines et d'autre part en association 80/20 avec Mitsui pour 2 mines.

- Cloud Peak Energy exploite 3 mines aux Etats-Unis, Antelope et Cordero Rojo dans le Wyoming et Spring Creek dans le Montana. Les réserves prouvées et probables sont de 1 milliard de t.

- Rio Tinto produit du charbon en Australie avec, en 2016, 29,7 millions de t.

Réserves mondiales : en milliards de tonnes, fin 2016, pour l'anthracite et les bitumineux et ( ) pour les sub-bitumineux et lignite. Monde : 413 (117), Union européenne (Allemagne, Pologne, Grèce) : 22 (53).

Chine 230 (14) Ukraine 32 (2)
États-Unis 221 (30) Kazakhstan 26 (-)
Inde 90 (5) Pologne 19 (5)
Russie 70 (91) Indonésie 17 (8)
Australie 68 (77) Afrique du Sud 10 (-)
Source : BP Statistical Review of World Energy

Les réserves de sub-bitumineux et de lignite de l'Allemagne sont de 40,5 milliards de t.
Le plus important gisement mondial est situé à Shenmu (Chine, province du Shanxi).

 

SITUATION FRANCAISE : en 2016.

- Production : l’État français s'est progressivement désengagé de l'exploitation charbonnière. La signature du Pacte charbonnier en 1994 a entraîné la fermeture des derniers sites français de production. Ainsi la mine d'Alès dans le Gard a fermé en 2001, suivie par les mines de Forbach et Merlebach (en Moselle), la mine de La Mure (en Isère), la mine de Gardanne (Provence) fermée le 1er février 2003 et enfin le 23 avril 2004 la dernière mine, celle de La Houve à Creutzwald (Lorraine), cesse son activité. Suite à l'arrêt des exploitations, la société des Charbonnages de France a été liquidée le 31 décembre 2007.

- Le maximun de production avait été atteint en 1958 avec 58,9 millions de t avec un maximun de personnel, en 1947, de 358 241 personnes.

- Une production résiduelle, estimée, en 2014, à 300 000 t/an, provenait du traitement des terrils du Pas de Calais et du Gard et des schlamms de Lorraine et était utilisée dans les centrales thermiques d'E.ON avant la fermeture de celles-ci en 2014 et 2015.

- Les ressources sont estimées à 425 millions de t de houille et 300 millions de t de lignite.

Commerce extérieur :
Anthracite :
- Exportations : 76 572 t à 90 % vers la Belgique, 8 % l'Allemagne.
- Importations : 644 378 t à 39 % de Russie, 26 % de Pologne, 12 % d'Australie.
Houille métallurgique :
- Exportations : 188 899 t à 99 % vers la Belgique.
- Importations : 2 919 678 t à 76 % d'Australie, 22 % des Etats-Unis.
Charbon-vapeur :
- Exportations : 16 928 t à 67 % vers les Pays Bas, 14 % vers la Belgique, 9 % vers l'Allemagne.
- Importations : 9 284 801 t à 33 % de Russie, 21 % d'Afrique du Sud, 21 % de Colombie, 17 % d'Australie.
Lignite :
- Exportations : 0.
- Importations : 143 536 t à 95 % d'Allemagne.
Tourbe :
- Exportations : 6 980 t à 29 % vers la Belgique, 26 % vers l'Espagne, 11 % vers la Suisse, 10 % vers le Royaume Uni.
- Importations : 587 213 t à 31 % d'Allemagne, 27 % de Belgique, 17 % des Pays Bas, 11 % d'Estonie.

Consommation : 13,6 millions de t dont 5,9 millions de t par la sidérurgie et 3,4 millions de t destinées aux centrales thermiques.

 

UTILISATIONS :

Consommations : en 2016, en millions de tep (avec approximativement 1 tep = 1,5 t d'anthracite = 3 t de lignite). Monde : 3 732, Union européenne : 238.

Chine 1 888 Afrique du Sud 85
Inde 412 Corée du Sud 82
États-Unis 358 Allemagne 75
Japon 120 Indonésie 63
Russie 87 Pologne 49
Source : BP Statistical Review of World Energy

Secteurs d'utilisation :

 
États-Unis, en 2015
Union européenne, en 2013
France, en 2015
Electricité
92,5 %
72,1 %
26 %
Autres industries
4,8 %
6,4 %
12 %
Sidérurgie
2,4 %
18,0 %
43 %
Résidentiel et tertiaire
-
3,5 %
4 %
Source : statistiques de l'AIE.

Les 2/3 du charbon utilisé dans le monde sert à la production d'énergie, cette part est de 90 % pour le lignite.

Énergie : dans le monde, en 2015, le charbon fournissait 29,2 % de l'énergie primaire, 3,3 % en France. Son utilisation dans les centrales thermiques produisant de l'électricité est très importante.

Part du charbon dans la production d'électricité de quelques pays : en 2014. Monde, en 2015 : 40 %, Union européenne, en 2014 : 24 %.

Afrique du Sud 92 % Australie 64 %
Pologne, en 2015 80 % Corée du Sud 43 %
Chine 72 % États-Unis 34 %
Inde 69 % Japon 34 %
Source : AEI

Dans l'Union européenne, en 2014, nombre de centrales thermiques au charbon et ( ) % de l'électricité consommée issue du charbon. Total : 280 (24 %) :

Allemagne 70 (45 %) Royaume Uni 11 (29 %)
Pologne 46 (80 %) Finlande 10 (13 %)
République tchèque 39 (62 %) Danemark 8 (31 %)
Espagne 15 (16 %) Pays Bas 8 24 %)
Roumanie 14 (29 %) Grèce 7 (44 %)
Bulgarie 12 (53 %) France 7 (2 %)
Italie 11 (12 %) Slovaquie 5 (11 %)
Source : Greenpeace UK

Centrales thermiques au charbon : l'utilisation de la technologie du lit fluidisé circulant permet de brûler, avec un haut rendement, des combustibles pauvres (lignite, schlamm…) et grâce à l'ajout de CaCO3 dans le foyer de la chaudière et au traitement des gaz de combustion d'atteindre un taux de désulfuration de 90 %. Par exemple, en 2016, la centrale EdF de Cordemais a produit ainsi 14 200 t de gypse. Dans un lit fluidisé circulant, le combustible brûle en suspension dans un courant d'air et circule jusqu'à combustion complète. Celle-ci a lieu à 900°C au lieu de 1300°C dans une chaudière classique ce qui réduit la formation d'oxydes d'azote. Le charbon est injecté dans la chaudière sous forme d'une pulpe eau-charbon à 60-70 % de charbon.
Dans les centrales thermiques à cycle combiné à gazéification intégrée (IGCC, en anglais), le charbon est dans un premier temps gazéifié sous forme de gaz de synthèse, qui est refroidi, purifié puis brûlé dans une turbine à gaz pour produire de l'électricité. La chaleur générée par la gazéification du charbon ainsi que celle issue de la turbine à gaz est récupérée pour produire de la vapeur d'eau utilisée à son tour pour produire de l'électricité. Lorsqu'une séquestration du dioxyde de carbone produit est prévue, le gaz de synthèse est converti afin de d'augmenter sa teneur en dihydrogène et de transformer le monoxyde de carbone présent en dioxyde de carbone qu'il est possible de séparer avant la combustion du gaz de synthèse dans la turbine à gaz (voir le chapitre dihydrogène).

EdF exploite, en France, 2 centrales thermiques au charbon. Celle du Havre (76) de 600 MW et celle de Cordemais (44) avec deux tranches de 600 MW chacune.
La société Uniper (ex E.ON) exploitait, en France, 3 sites avec la centrale Émile Huchet à Saint-Avold (80) et 3 tranches d'une puissance totale de 1 045 MW, la centrale Lucy à Montceau les Mines (71) d'une puissance de 245 MW et la centrale de Provence à Meyreuil (13) avec 2 tranches d'une puissance de 1 425 MW. 2 des 3 tranches de la centrale Emile Huchet et la centrale Lucy ont été fermées en 2014. La centrale de Provence devrait être convertie pour un fonctionnement à partir de biomasse.

En 2015, le charbon a donné, en France, une production de 9,9 TWh d'électricité.

Chauffage : par exemple, la production de chaleur en Île de France est assurée par des installations thermiques gérées par la CPCU, Compagnie Parisienne de Chauffage Urbain, qui utilise différentes sources d'énergie pour produire la chaleur. En 2016, 42,7 % de la vapeur livrée est produite à partir des ordures ménagères, 33,1 % à partir du gaz naturel, 15,9 % à partir du charbon, 5,8% à partir de bois. La chaufferie de Saint Ouen II de la CPCU a consommé, en 2016, 182 326 t de charbon pour produire 1,84 millions de t de vapeur et 8 768 MWh d'électricité.

Sidérurgie : en 2012, la consommation mondiale de la sidérurgie a représenté 13 % de la consommation de charbon. En 2015, la consommation de la sidérurgie française a été de 5,9 millions de t. Le charbon est principalement utilisé après transformation en coke mais aussi en injection directe dans les hauts fourneaux. Par exemple, en 2015, en Allemagne, la consommation par t de fonte obtenue dans les hauts fourneaux est 329,5 kg de coke et 164,1 kg de charbon pulvérisé par injection directe.
En France, le charbon est cokéfié dans les 3 cokeries intégrées aux complexes sidérurgiques d'ArcelorMittal à Fos (13) et Dunkerque (59).
La production mondiale de coke, avec, en 2015, 652 millions de t est dominée par la Chine avec une production de 448 millions de t. La production de l'Union européenne a été de 39 millions de t, celle de l'Amérique du Nord, de 18 millions de t. En 2015, la production française a été de 3,150 millions de t (voir en fin de chapitre la partie consacrée au Coke).

En 2013, l'injection directe de charbon pulvérisé dans les hauts fourneaux a été, dans le monde, de 48,2 millions de t dont 14,9 millions de t au Japon, 9,1 millions de t en Corée du Sud, 4,4 millions de t en Allemagne, 3,8 millions de t en Russie, 3 millions de t en Inde, 2,6 millions de t en France, 1,5 million de t aux Etats-Unis.

Emissions de dioxyde de carbone : voir également des chapitres dioxyde de carbone et effet de serre.

Dans des centrales électriques thermiques, les émissions de dioxyde de carbone sont :
- pour le lignite de 1 015 g/kWh,
- pour la houille de 855 g/kWh,
- pour le gaz naturel de 400 g/kWh.

Dans l'Union européenne, en 2014, émissions de dioxyde de carbone par les centrales thermiques au charbon, en millions t. Total : 762.

Allemagne 256 Grèce 34
Pologne 129 Bulgarie 26
Royaume Uni 87 Pays Bas 20
Espagne 43 Roumanie 19
République thèque 42 France 11
Italie 39 Danemark 10
Source : Greenpeace UK

Les émissions mondiales de dioxyde de carbone générées par la combustion du charbon ont été, en 2014, de 14,871 milliards de t.

 

CARBOCHIMIE :

L'obtention du coke donne divers sous-produits qui sont valorisés. Une tonne de houille donne en moyenne 750 kg de coke, 30 à 40 kg de goudrons, 7 à 12 kg de benzol (80 % benzène, 15 % toluène, 5 % xylène), 5 à 10 kg de sulfate d'ammonium et 300 à 350 m3 de gaz (60 % H2 - 25 % CH4). Les BTX (benzène, toluène, xylènes, voir ce chapitre) proviennent de la cokéfaction pour 5 % de la production en Europe de l'Ouest (2 % aux États-Unis). Le naphtalène provient à 60-70 % du charbon aux États-Unis et à 100 % au Japon.
Le
gaz de cokerie est souvent brûlé, avec récupération de l'énergie, mais aussi utilisé pour produire du méthanol. Ainsi, en 2014, il donne 19 % de la production chinoise de méthanol.

Par ailleurs, divers procédés peuvent donner des hydrocarbures à partir du charbon. Par exemple, la liquéfaction indirecte selon le procédé Fischer-Tropsch avait été employé, à grande échelle, par l'Allemagne nazie, dépourvue de ressources pétrolières, pendant la deuxième guerre mondiale avec, en 1944, une production, dans 25 usines, de 6,5 millions de t de carburants. Depuis, la production d'hydrocarbures selon ce procédé a été abandonnée du fait de la concurrence du pétrole avec son faible prix. Seule l'Afrique du Sud, riche en charbon, a développé, à partir de 1955, une production commerciale en raison des sanctions économiques de l'époque de l'apartheid et d'un embargo sur les produits pétroliers de la part de la communauté internationale.
Dans ce pays, le charbon a été utilisé massivement comme matière première chimique par la société Sasol pour produire du gaz de synthèse, du dihydrogène, de l'ammoniac, de l'essence synthétique selon le procédé Fischer-Tropsch et divers dérivés pétrochimiques.
La société Sasol a extrait, en 2016-17, 37,6 millions de t de charbon qui sont, dans l'usine de production de Secunda, dans la province de Mpumalanga, en grande partie transformés en gaz de synthèse puis, dans 9 réacteurs travaillant sous pression à 350°C, en présence d'un catalyseur à base de fer, en carburants et divers produits tels que le pentène, l'hexène, l'octène, des alcools, de l'acide acétique, de l'acétone, du propylène, de l'éthylène ... La production est ainsi, en 2016-17, de 7,8 millions de t de carburant représentant, en 2014, 35 % de la consommation sud-africaine.
De son côté, la Chine, riche en réserves de charbon, développe depuis peu de temps, la production d'oléfines (éthylène et propylène) à partir de charbon, par l'intermédiaire de la production de méthanol (voir ci-dessous).

Production du gaz de synthèse : toutes ces productions d'hydrocarbures commencent par la production de gaz de synthèse par vaporeformage du charbon (voir le chapitre dihydrogène). Cette production qui avait été supplantée par le développement de l'utilisation du gaz naturel et ne subsistait principalement qu'en Afrique du Sud effectue un retour en force avec son emploi en Chine, riche en ressources de charbon et relativement pauvre en hydrocarbures.

Principe : la formation du gaz à l'eau, syngas ou gaz de synthèse, a lieu à 1000°C selon la réaction suivante :

C + H2O = CO + H2 Δr298 = + 131 kJ/mole

La réaction, endothermique, nécessite un soufflage de dioxygène pour maintenir la température par combustion du carbone. Le gaz obtenu contient de 30 à 50 % de dihydrogène et 60 à 40 % de monoxyde de carbone, avec du diazote et du dioxyde de carbone. Ce gaz de synthèse peut ainsi être employé comme source de dihydrogène et de monoxyde de carbone pour produire du méthanol puis des oléfines (éthylène, propylène) et des polyoléfines (polyéthylène et polypropylène).

La production de H2 peut être améliorée par conversion de CO pour produire de l'ammoniac puis des engrais azotés. Le monoxyde de carbone du gaz de synthèse est alors transformé en dioxyde de carbone avec production complémentaire de dihydrogène, en 2 étapes. On obtient ainsi un gaz contenant 70 % de H2.

CO + H2O = CO2 + H2 Δr298 = - 41 kJ/mole

Production de carburants liquides :

Après formation du gaz de synthèse, le mélange de monoxyde de carbone et de dihydrogène, est transformé par le procédé Fischer-Tropsch en hydrocarbures selon la réaction, avec n compris entre 10 et 20 :

n CO + (2n + 1) H2 = CnH2n+2 + n H2O

En fonction des hydrocarbures à obtenir, la réaction est réalisée à 150-300°C avec un catalyseur au cobalt ou à plus haute température, 300-350°C et 20 à 30 bar, avec un catalyseur au fer. Un catalyseur au ruthénium est également employé.

Production de méthanol :

Le gaz de synthèse peut être converti en méthanol ou en diméthyléther, eux-même employés comme carburants en remplacement ou association avec l'essence ou le diesel (voir le chapitre méthanol) et à la base de la fabrication de nombreux produits (formaldéhyde, oléfines, acide acétique, méthacrylate de méthyle...). Depuis 1983, la gazéification du charbon est utilisée aux États-Unis, par Eastman qui produit ainsi du méthanol, à Kingsport, dans le Tennessee avec une capacité de production de 195 000 t/an. Cette utilisation du charbon est en cours de développement important en Chine où, en 2014, 63 % de la production de méthanol est réalisée à partir de charbon.

Production d'oléfines (éthylène et propylène) :

Le méthanol peut être transformé en éthylène et propylène, à des température comprises entre 350 et 450°C, sous une pression de 0,1 à 0,3 MPa, en présence comme catalyseur de zéolithe. Dès 1975, Mobil avait découvert que le méthanol pouvait être converti en essence puis en 1977, en oléfines, en utilisant une zéolithe, ZSM-5, la sélectivité étant d'environ 60 %. La mise au point par Union Carbide d'une nouvelle zéolithe synthétique, SAPO-34, a permis d'atteindre une sélectivité de 75 à 80 % et de rendre le procédé compétitif. Dénommé UOP/Hydro, est il actuellement développé par Honeywell qui de plus, en association avec Total, a complété le procédé UOP par une opération de craquage dénommé OCP (Olefin-Cracking-Process) permettant d'atteindre une sélectivité de 90 % en oléfines. Cette amélioration a été réalisée par Total sur son site de Feluy, en Belgique, avec un réacteur de démonstration qui a validé le procédé donnant des oléfines destinées à la polymérisation en polyéthylène et polypropylène.
Le procédé UOP/OCP peut utiliser du méthanol brut de fabrication qui est vaporisé dans le réacteur UOP dans lequel le catalyseur, SAPO-34, est maintenu en lit fluidisé. Lors des réactions de transformation du méthanol, le catalyseur est rapidement recouvert de coke qui réduit ses capacités. En conséquence, il circule dans le réacteur en étant de façon continue réactivé, à l'extérieur du réacteur, par brûlage du coke avec de l'air. Les réactions, complexes, font intervenir le diméthyléther (DME) selon les équations simplifiées suivantes :

2 CH3OH = CH3OCH3 + H2O
CH3OCH3 = C2H4 + H2O
3 CH3OCH3 = 2 C3H6 + 3 H2O

La zéolithe synthétique SAPO-34 est un silicoaluminate phosphaté possédant des sites acides de Brønsted, de structure de type chabazite, qui possède des micropores de 0,38 nm. Le rapport entre le propylène et l'éthylène est compris entre 0,75 et 1,25. A côté de ces derniers, il y a formation de composés en C4 à C8 qui peuvent, dans le réacteur additionnel OCP, être craqués pour donner à leur tour de l'éthylène et du propylène, augmentant ainsi la sélectivité. Par ailleurs le réacteur OCP produit plus de propylène que d'éthylène ce qui donne au total pour le procédé UOP/OCP un rapport propylène sur éthylène compris entre 1,3 et 1,8.

A côté du procédé UOP/OCP, d'autres procédés sont développés, avec des technologies chinoises pour les procédés D-MTO et S-MTO et par Lurgi qui a développé un procédé MTP (Méthanol-To-Propylène). Diverses usines de production sont construites ou en cours de construction en Chine. La production peut être réalisée directement à partir du charbon dans des usines de production intégrées de la mine aux oléfines puis aux polyoléfines et dans ce cas elle est appelée (CTO : Coal-To-Olefins). Si elle est réalisée seulement à partir du méthanol elle est appelée (MTO : Methanol-To-Olefins).
La consommation d'eau de ces procédés est importante, de 20 à 40 t par t d'oléfine pour le procédé MTO et près de 90 t/t pour les procédés CTO. En Chine, les mines de charbon sont situées dans des régions arides ce qui pose des problèmes d'approvisionnement en eau.

Production de gaz naturel synthétique :

Le gaz de synthèse peut aussi être converti en méthane, c'est-à-dire en gaz naturel de synthèse. la réaction de méthanation mise en jeu est la suivante, en présence de catalyseur au nickel :

CO + 3 H2 = CH4 + H2O

La société Dakota Gasification Company, exploite une unité de production à Beulah, dans le Dakota du Nord. Par jour, la gazéification de 18 000 t de lignite donne du gaz de synthèse transformé par méthanation en 4,8 millions de m3 de gaz naturel synthétique. 8 000 t par jour de dioxyde de carbone, soit la moitié de la production, est exporté par 330 km de pipeline, au Canada, pour être utilisé pour assister la récupération de pétrole des gisements de Weyburn et Midale, dans le Saskatchewan. Ainsi, fin 2016, un total de 35 millions de t de dioxyde de carbone a été séquestré depuis 2000.

Gazéification in situ :

Divers projets sont en cours et plusieurs installations de démonstration sont en fonctionnement afin de gazéifier le charbon "in situ". Le procédé consiste à forer 2 puits jusqu'à une veine de charbon, de relier ces 2 puits par un forage horizontal. Par l'un des puits, de l'air ou du dioxygène est injecté qui brûle le charbon permettant d'atteindre une température d'environ 1200°C puis l'apport de vapeur d'eau permet de réaliser un vaporeformage produisant du gaz de synthèse qui est récupéré par le deuxième puits. La société Linc Energy, en Australie, à Chinchilla, dans le Queensland, exploite une installation de démonstration et possède 91,6 % de la société Yerostigaz qui exploite, à Angren, en Ouzbékistan, depuis 1961, une unité de gazéification "in situ" commerciale donnant 1 million de m3 de gaz de synthèse par jour destiné à produire de l'électricité par combustion.

 

Bibliographie :

- "Charbon propre, mythe ou réalité", Délégation interministérielle au développement durable, La Documentation Française, 2006.

- Chiffres clés de l'énergie, Repères, Commissariat Général au Développement Durable, Février 2017.

- BP Statistical Review of World Energy.

- Statistiques de l'Agence Internationale de l’Énergie, 9 rue de la Fédération, 75739 Paris Cedex 15.

- Key World Energy Statistics, AIE, 9 rue de la Fédération, 75739 Paris Cedex 15.

- World Coal Association, 5th Floor, Heddon House, 149-151 Regent Street, W1B4JD, Londres, Royaume Uni.

- European Association for Coal and Lignite (Euracoal), Av de Tervueren 168 Bte 1, 1150 Bruxelles, Belgique.

- US Energy Information Administration, 1000 Independence Ave. SW, Washington DC20585, États-Unis.

- Verein der Kohlenimpoteure, Ferninandstrasse 35, 20095 Hamburg, Allemagne.

- D. Jones et K. Gutmann, "End of an era : why every european country needs a coal phase-out plan" Greenpeace UK, décembre 2015.

- Coal : liquid fuels, World Coal Association.

- Gasification & Syngas Technologies Council (CSTC), 3030 Clarendon Blvd, Suite 330, Arlington, Virginie, VA 22201, Etats-Unis.

- D. Hurd, S. Park, J. Kan, "China's coal to olefins industry", Deutsche Bank, Markets Research, 2 juillet 2014.

 

Données atomiques
Données physiques

DIAMANT
(1 carat = 0,20 g)

Données thermodynamiques

 

La production de diamants synthétiques est nettement plus importante que celle de diamants naturels. En effet, en 2013, la production de diamants synthétiques a été de 4 390 millions de carats, essentiellement en Chine, celle de diamants naturels, de 125 millions de carats.

 

ÉTAT NATUREL : les diamants sont constitués de carbone à l'état natif. La teneur en diamants des mines est très faible : il faut traiter en moyenne 3 tonnes de minerai pour obtenir 1 carat et 250 t pour produire un diamant de joaillerie, taillé, de 1 carat.

Le plus gros diamant découvert est le Cullinan, en 1905, dans la mine Premier, en Afrique du Sud, avec 3 106 carats avant taille. Ces dernières années, le plus gros diamant blanc et pur, le Diamant du Centenaire, a été découvert en 1986 dans la mine de Premier, en Afrique du Sud, avec 599 c avant taille, 273 c après. Dans sa plus grande largeur il mesure 5 cm.

Gisements et exploitations minières :

Les diamants, formés il y a plus de 990 millions d'années dans le magma terrestre, à une profondeur de 125 à 200 km, à des températures comprises entre 900 et 1300°C et à pression très élevée (45 à 60 kbar), sont remontés rapidement à la surface de la terre lors d'éruptions volcaniques. Lors de leur remontée, les diamants n'ont pas eu le temps de se transformer en graphite, forme stable du carbone à la surface de la terre. Les diamants sont donc dans un état métastable. Les gisements se présentent sous forme de :

- Cheminées ou "pipes" : cônes renversés s'enfonçant parfois à plusieurs milliers de mètres sous la surface du sol. La roche de ces cheminées est généralement de la kimberlite ou parfois de la lamproite (c'est le cas de la mine d'Argyle). Elle est exploitée d'abord à ciel ouvert et lorsque la profondeur atteinte devient trop importante, une exploitation souterraine prend le relai. Les cheminées volcaniques formées de kimberlite ne contiennent des diamants exploitables que dans 1 cas sur 200, en moyenne.

- Dépôts alluvionnaires, dans le lit de fleuves et en bordure du littoral, provenant de l'érosion des cheminées volcaniques : c'est le cas du littoral namibien et des exploitations du Namaqualand d'Afrique du Sud.

Un cas particulier est celui du gisement de Popigaï, en Russie, qui s'est formé il y a 35 millions d'années lors de l'impact d'un météorite, la pression générée lors de l'impact ayant transformé du graphite en diamant. Situé en Sibérie, à 2 000 km au nord de Krasnoïarsk, le cratère possède un diamètre d'une centaine de km. Les diamants présents, de qualité industrielle, ont une taille de 0,5 à 2 mm. Les ressources présentes dans ce gisement seraient considérables.

Actuellement, une partie des stériles rejetés lors des exploitations antérieures est retraitée. Par exemple, autour de la mine de Kimberley, en Afrique du Sud.

Après broyage du minerai, un enrichissement est effectué à l'aide de techniques gravimétriques, par exemple avec un milieu dense de particules de ferrosilicium, les diamants (densité de 3,52) sont extraits avec le ferrosilicium qui est ensuite récupéré magnétiquement et recyclé. Les diamants, hydrophobes et oléophiles, peuvent être séparés en milieu eau-huile puis enfin repérés, un à un, par leur fluorescence sous rayonnement X.

On distingue : les gemmes (environ 20 % de la production en poids et plus de 65 % en valeur) utilisés en joaillerie, les quasi-gemmes (37 à 39 % de la production en poids) qui sont de plus en plus utilisés en joaillerie et les diamants industriels (43 % de la production en poids).

 

PRODUCTIONS : en millions de carats, millions de dollars US et $US/ct, en 2016. Monde : 134,1 millions de carats pour 12 401millions de $ US et 92,5 $US/ct en moyenne.

Pays
Production
Valeur
$US/ct
Pays
Production
Valeur
$US/ct
Russie
40 322
3 578
88,7
Angola
9 021
1 279
119,6
R.D. du Congo
23 207
247
10,6
Afrique du Sud
8 311
1 249
150,3
Botswana
20 501
2 845
138,8
Zimbabwe
2 103
105
50,0
Australie
13 957
216
15,5
Namibie
1 717
915
582,6
Canada
13 036
1 397
107,2
Sierra Leone
549
159
389,3
Source : Kimberley Process

- On estime à plus de 400 t la masse totale des diamants extraits dans le monde depuis les origines. En 1950, la production était de 15 millions de carats/an.

- La Russie est le premier pays producteur avec des diamants de très bonne qualité. Les mines en exploitation, propriété à 97 % de la société Alrosa, sont regroupées dans divers complexes : Udachny pour les cheminées de Udachny et Zarnitsa qui a donné, en 2016, 5,145 millions de carats, Nyurba pour la cheminée de Nyurba et les exploitations alluvionnaires qui a donné, en 2016, 1,773 million de carats, Mirny pour les cheminées Mir et International, les exploitations alluvionnaires ainsi que celle de rejets antérieurs avec, en 2016, 5,273 millions de carats, Aikhal avec l'exploitation de 3 cheminées (Yubileynaya, Komsomolskaya et Aikhal) avec, en 2016, 7,200 millions de carats, Almazy Anabara avec, en 2016, 5,218 millions de carats et Nizhne-Lenskoye avec, en 2016, 5,848 millions de carats. Ces gisements, situés dans la république de Sakha, en Yakoutie, dans le Nord-Est de la Sibérie, posent de gros problèmes d'exploitation à cause de la température hivernale qui peut atteindre les moins 60°C. Alrosa, exploite également un gisement, Severalmaz, dans la région d'Arkhangelsk avec, en 2016, une production de 3,922 millions de carats.
Les réserves prouvées et probables d'Alrosa sont, début 2017, de 736,6 millions de carats.

- En République Démocratique du Congo, dans le Kasaï Oriental et Occidental, la production est essentiellement, à 80 %, artisanale. Les types de diamants produits au Congo sont incolores, bruns, gris, olives et toute la gamme chromatique des jaunes, cognacs et orangés.

- La production du Botswana est assurée par la société Debswana (en joint venture 50/50 entre De Beers et l'Etat du Botswana) dans 4 mines à ciel ouvert : Orapa, Jwaneng, Letlhakane et Damtshaa, qui ont produit un total de 20,501 millions de carats. La mine de Jwaneng, est la mine la plus riche, en valeur, dans le monde. Elle est constituée de 3 cheminées exploitées à une profondeur moyenne de 400 m. En 2016, sa production a été de 11,975 millions de carats. La mine d'Orapa, à une profondeur de 250 m, a produit 7,931 millions de carats, celle de Letlhakane, 595 000 carats et celle de Damtshaa, avec 4 cheminées, qui a suspendu sa production en 2016.

- La production australienne est assurée par la mine d'Argyle (Nord-Ouest du pays), découverte en 1979, mise en exploitation en 1985, propriété de Rio Tinto. La production a été de 13,958 millions de carats, en 2016. Les diamants produits (50 % de diamants industriels, 45 % de quasi-gemmes, 5 % de gemmes) sont colorés (couleur champagne et cognac et plus rare : rose). La mine, à ciel ouvert, est relayée, depuis 2013, par une exploitation souterraine. Depuis 1985, la mine a produit 800 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont, fin 2016, de 29 millions de t de minerai contenant 2,3 carats/t.

- La production canadienne est assurée par les mines suivantes :
Ekati Diamond Mine, située dans les Territoires du Nord-Ouest, détenue à 88,9 % par Dominium Diamond Corporation pour le cœur de la mine. En 2016, la production a été de 3,7 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 105,4 millions de carats.
Diavik Diamond Mine, détenue à 60 % par Rio Tinto et 40 % par Dominium Diamond Corporation, située dans les Territoires du Nord-Ouest, exploitée souterrainement et à ciel ouvert, a produit, en 2016, 6,658 millions de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 29 millions de carats souterrainement et 9,4 millions de carats à ciel ouvert.
Snap Lake Mine, dans les Territoires du Nord-Ouest, contrôlée par De Beers, a produit, en 2016, 0,003 million de carats et a suspendu sa production. La mine de Gahcho Kué, détenue par De Beers à 51 % et Mountain Province Diamonds à 49 %, également dans les Territoires du Nord-Ouest, a été ouverte en septembre 2016 pour une pleine production prévue début 2017. En 2016, la production a été de 432 000 carats. L'exploitation, avec 3 mines à ciel ouvert, est prévue durer 12 ans avec 4,45 millions de carats/an et une extraction totale de 53 millions de carats.
Victor Mine, dans l'Ontario, contrôlée par De Beers, a produit, en 2016, 596 000 carats.

Le 19 octobre 2016 a été inaugurée la mine Renard, au Québec, détenue par Stornoway. En 2016, la production a été de 220 000 carats et en 2017 elle devrait atteindre 1,71 million de carats. Les réserves prouvées et probables sont de 33 millions de t de minerai renfermant 67 carats/t soit un total de 21,95 millions de carats.

- La production angolaise est assurée par le groupe Endiama, qui exploite la principale mine du pays : Catoca.

- En Afrique du Sud, la plupart de la production (à environ 95 %) est assurée par De Beers Consolidated Mines Limited détenue à 74 % par De Beers et 26 % par Ponahulo Holding, voir plus loin.

- En Namibie, la production est d'excellente qualité, plus de 98 % des diamants sont de qualité joaillerie. La production est assurée par Namdeb, société détenue à parts égales entre De Beers et le gouvernement namibien, voir plus loin.

Producteurs : en 2016, répartition du marché, en volume, et en valeur.

Sociétés
en volume
en valeur
Sociétés
en volume
en valeur
Alrosa (Russie)
29,4 %
29 %
Endiama (Angola)
7 %
7 %
21,5 %
38 %
6,2 %
4 %
Rio Tinto
14,1 %
4 %
Petra Diamond (Afrique du Sud)
3,2 %
3 %
Source : De Beer

Alrosa, voir ci-dessus avec la production russe.

De Beers :
La société a été fondée en 1888 pour exploiter les mines sud-africaines. De Beers est contrôlé à 85 % par Anglo American et à 15 % par l’État du Botswana. Le groupe De Beers extrait des diamants naturels, fabrique des diamants synthétiques et commercialise une grande partie de la production mondiale.

Production de diamants naturels pour un total, en 2016, de 27,339 millions de carats. En millions de carats, en 2016 :
- Namibie : 1,573 par Namdeb, joint venture 50/50 entre De Beers et l'Etat Namibien, qui exploite d'une part le littoral maritime et d'autre part les mines d'Elisabeth Bay et Orange River.
- Botswana : 20,501 par Debswana société détenue moitié-moitié par De Beers et l'Etat du Botswana, dans les mines de d'Orapa (7,931), Jwaneng (11,975), Letlhakane (0,595) et Damtshaa qui a suspendu sa production en janvier 2016.
- En Afrique du Sud les exploitations minières sont détenues à 74 % par De Beers et 26 % par Ponahulo Holding. La production, avec 4,234 millions de carats en 2016, a été réalisée dans les mines de Venetia (3,517), Voorspoed (0,649) et Kimberley (0,068). Fin 1990, arrêt de l'exploitation de la cheminée de Kimberley, appelée "Big Hole", découverte en 1871. La production s'est poursuivie dans des mines voisines et à partir des terrils puis ces activités ont été vendues totalement, en janvier 2016, à un consortium formé par Ekapa Mining à 50,1 % et Petra Diamonds à 49,9 %.
- Canada : 1,031 dans les mines de Victor (0,596), en Ontario, de Gahcho Kué (0,432) et de Snap Lake (0,003) dans les Territoires du Nord-Ouest. La mine de Gahcho Kué vient d'entrer en production, dans celle de Snap Lake la production est suspendue.

Production de diamants industriels et de matériaux ultra durs, par Element Six. Les usines de production sont situées en Irlande (Shannon), Royaume-Uni (Île de Man), Suède (Robertfors), Ukraine (Poltava), Chine (Suzhou), États-Unis (Santa Clara, en Californie) et Afrique du Sud (Springs).

La production de Rio Tinto provient, outre de la mine d'Argyle, en Australie, voir ci-dessus, des mines de Diavik, au Canada, possédée à 60 %, avec, en 2016, une production, en propre, de 3,995 millions de carats et des réserves de 16 millions de t renfermant 2,8 carats/t. Les réserves totales prouvées et probables du groupe sont, en 2016, de 95 millions de carats.

Dominium Diamond, voir ci-dessus avec la production canadienne.

Petra Diamond, a produit en 2016, 3,7 millions de carats, principalement en Afrique du Sud avec 4 mines et en Tanzanie avec une mine. En Afrique du Sud, exploite les mines de Finsch, avec 2,214 millions de carats, Cullinan, avec 680 813 carats, Koffiefontein, avec 62 190 carats et les mines de Kimberley, avec 531 469 carats ainsi que la mine de Williamson, en Tanzanie, avec 212 869 carats. Les réserves prouvées et probables sont de 47,9 millions de carats.

 

UTILISATIONS : en 2013, à 54 % dans la joaillerie et à 46 % dans l'industrie.

Répartition de la consommation de diamants, en joaillerie, en valeur, en 2015.

États-Unis 45 % Inde 7 %
Chine 16 % Japon 4 %
Etats du Golfe 8 % - -
Source : De Beers

Utilisé dans l'industrie pour sa dureté (10, par définition, dans l'échelle de Mohs) dans les abrasifs, filières, trépans, outils de coupe... Les diamants polycristallins et impurs (carbonados et borts) sont préférés aux diamants purs car ils sont moins fragiles. Toutefois, dans ce secteur, les diamants naturels ne représentent que 1 % de la consommation. Ce sont les diamants synthétiques qui assurent 99 % de la consommation.

Un diamant parfait et pur n'absorbe pas la lumière visible et est parfaitement transparent. L'énergie de la bande interdite est de 5,45 eV, énergie nettement supérieure à l'énergie des photons visibles. Cela n'est plus le cas en présence d'impuretés ou de défauts cristallins.

La classification des diamants est réalisée en fonction de la présence d'impuretés qui absorbent ou non dans l'infrarouge. Les diamants de type I peuvent contenir jusqu'à 0,3 % d'azote, ils absorbent vers 8 µm. Ils absorbent également le rayonnement visible dans le domaine du bleu-violet et sont donc colorés en jaune. Les diamants de type II ne contiennent pas d'azote et ils n'absorbent pas le rayonnement infrarouge. Les diamants IIa ne contiennent ni azote ni bore. Les diamants IIb contiennent du bore donnant une absorption du rayonnement visible dans le rouge et donc une couleur bleu. Le diamant "Régent" est de ce type.

Le diamant de type IIb est un excellent isolant (r > 1014 ohm.cm) et le matériau qui possède la conductibilité thermique la plus élevée (2000 W.m-1.K-1 à 20°C).

Les diamants se transforment en graphite à l'air vers 600°C et sous vide vers 1500°C.

 

DIAMANTS SYNTHÉTIQUES :

Historique : les laboratoires de recherche ont essayé de reproduire, à l'échelle industrielle, les conditions existant dans le magma terrestre et permettant la formation de diamant. La première synthèse, gardée secrète, a été réalisée en Suède, dans le laboratoire d'Allmanna Svenska Elektriska Aktiebolaget. La première synthèse officielle et brevetée a été réalisée le 16 décembre 1954, dans les laboratoires de General Electric.

Fabrication : les premières fabrications ont été réalisées sous haute pression et température élevée. Les diamants obtenus, dénommés HPHT, représentent actuellement la plus grande partie de la production de diamants synthétiques. Un autre mode d'élaboration par dépôt chimique en phase vapeur (diamants CVD) commence à être industrialisé.

Diamants HPHT : un mélange de graphite et d'un métal de transition (Ni, par exemple) qui sert de solvant pour le carbone (le diamant y est moins soluble que le graphite), entouré de pyrophylitte et muni de contacts électriques permettant le chauffage par effet Joule, forme une chambre de réaction cylindrique qui est placée au centre d'une presse tétraédrique. Entre 1667 et 1728°C, à 54 kbar, le diagramme de solidification Ni-C présente une zone fondue en présence de C cristallisé sous sa forme diamant. Le taux de croissance est d'environ 1 mm/jour. La pyrophylitte (phyllosilicate de la famille du talc) présente l'avantage d'être plastique sous haute pression et donc de transmettre de façon homogène les pressions exercées.

Les diamants produits sont, en général, de couleur jaune (due à la présence d'azote) ou verte. Ils font souvent moins de 1 carat et 5 à 6 dixièmes de mm. Un diamant de 14,2 carats, de bonne qualité industrielle a été produit par De Beers.

Les producteurs de diamants synthétiques produisent aussi du nitrure de bore cubique (dont la dureté approche celle du diamant) qui demande également, pour son élaboration, de très hautes pressions. Les produits proposés vont des poudres microniques, aux grains, aux pierres et aux plaquettes polycristallines (pour outils d'usinage et pièces d'usure) obtenues par frittage de grains de diamant ou de nitrure de bore cubique.

Diamants CVD : des revêtements de matériaux par des couches minces (5 à 10 µm) de diamant, réalisées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), sont commercialisés. De même, des diamants synthétiques de bonne qualité commencent à être produits par dépôt chimique en phase vapeur. La croissance du diamant (polycristallin, nanocristallin ou monocristallin) est réalisée à partir d'un substrat de diamant que l'on fait croître. La croissance est réalisée sous pression réduite, en présence de méthane et d'hydrogène, qui, sous l'action d'une décharge électrique, donnent un plasma.

Production : en 2011, en millions de carats. Monde : 4 380.

Chine 4 000 Japon 34
États-Unis (2016) 125 Biélorussie 25
Russie 80 Suède 20
Afrique du Sud 60 Ukraine (2008) 4
Irlande 60 France 3
Source : USGS

La production de diamants synthétiques était de 329 millions de carats en 1990.

Producteurs :

- Aux États-Unis, la production est assurée par Diamond Innovations, filiale de Sandvik Hyperion, à Worthington, dans l'Ohio et par Mypodiamond à Smithfiels en Pennsylvanie.

- Element Six, détenu, pour la branche abrasifs à 60 % par le groupe De Beers et 40 % par Umicore, possède des usines de production en Irlande à Shannon, au Royaume-Uni dans l’Île de Man, en Suède à Robertfors, en Ukraine à Poltava, en Chine à Suzhou, aux États-Unis à Santa Clara, en Californie et en Afrique du Sud à Springs.

Recyclage :

Après utilisation, les diamants industriels peuvent être recyclés, cela a représenté 66,3 millions de carats, en 2016, aux États-Unis.

Utilisations :

Consommation : en 2016, les États-Unis ont consommé 491 millions de carats.

Les diamants synthétiques sont plus adaptés à la plupart des besoins industriels que les diamants naturels : ils possèdent un meilleur pouvoir de coupe et ont une durée d'utilisation plus longue. Ils couvrent 99 % des besoins industriels mondiaux en diamant.

- En 1992, plus de 250 000 c de diamants ont été utilisés pour raboter sur 120 km, la surface (1,8 millions de m2 de béton) d'une autoroute américaine, en Floride.

Leur utilisation est limitée à 700°C (transformation en graphite) et au travail de matériaux ne réagissant pas avec le carbone. Ils sont, jusqu'à 1 200°C, remplacés par le nitrure de bore cubique.

Les dépôts de diamant sont utilisés pour usiner des alliages Al-Si, des composites Al-SiC…

 

Bibliographie :

- J-C. Michel, "Les mutations du monde du diamant", Ecomines, BRGM, décembre 2006 et janvier 2007.

- J-C. Michel, "Les diamants synthétiques ou de culture", Ecomines, BRGM, janvier 2008.

- Diamants-infos, 56 rue la Fayette, 75009 Paris.

- Diamondfacts.org.

- Processus de Kimberley, Avenue Isiro n°8, Kinshasa-Gombe, R. D. du Congo.

- World Diamond Council, 580 Fifth Avenue, 28 th Floor, New York, NY 10036, Etats Unis.

- De Beers, rapports annuels et informations, 17 Charterhouse Street, EC1N6RA London, Royaume Uni.

- The global diamond industry, Bain & Company, AWDC, 2016.

- Du diamant naturel au diamant de synthèse, Revue du Palais de la Découverte, n°245, février 1997.

 

Données atomiques
Données physiques

GRAPHITE

Données thermodynamiques

Le graphite utilisé est à 66,7 % d'origine synthétique et à 33,3 % d'origine naturelle.

 

ÉTAT NATUREL : dans les gisements, le graphite se présente :

- Sous forme de paillettes (flakes, en anglais) de taille supérieure à 100 µm, disséminées dans des roches métamorphiques (gneiss, micaschistes). La teneur en graphite est comprise, avant enrichissement, entre 5 et 40 %. Ces gisements représentent 50 à 60 % de la production mondiale. Ils sont principalement présents en Chine, dans la province d'Heilongjiang et au Brésil.

- Sous forme "amorphe" (terme impropre car le graphite est cristallisé) de fines particules, inférieures à 1µm, dans des gisements, en général, plus jeunes que les précédents. La teneur est de 25 à 80 % en graphite, avant enrichissement. Ces gisements représentent 40 à 50 % de la production mondiale. Ils sont principalement présents en Chine dans la province du Hunan.

- Sous forme de filon dans des veines (vein ou lump, en anglais) qui peuvent atteindre plusieurs mètres d'épaisseur. La teneur des veines peut varier entre 88 et 99 %. Ce type de gisement est exploité exclusivement au Sri Lanka et représente moins de 1 % de la production mondiale.

- Les minerais, après broyage, sont enrichis par flottation, le graphite étant naturellement hydrophobe. Les concentrés mis sur le marché ont généralement une teneur de 60 à 70 % en carbone avant une purification, également par broyage et flottation, donnant une teneur d'environ 85 %.
Des teneurs plus élevées, de 99 % jusqu'à 99,95 %, peuvent être obtenues par traitements chimiques ou thermiques.

 

PRODUCTIONS : en 2016, en milliers de t. Monde : 1 200.

Chine 780 Canada 21
Inde 170 Russie 15
Brésil 80 Norvège 8
Turquie 32 Madagascar 8
Corée du Nord 30 Zimbabwe 7
Mexique 22 Ukraine 5
Source : USGS

- La production chinoise provient, principalement, des provinces de Heilongjiang et Shandong.

- En Inde, la production provient à 61 % de l'état de Tamil Nadu, avec les mines du district de Sivaganga, 30 % de celui de Jharkhand, avec les mines de Murma, Gaura et Khamadih, 7 % de celui d'Odisha, avec les mines de Kumbhidhata. 5 des plus importantes mines, sur un total de 11, donnent 93 % de la production.

- La production brésilienne provient de l'état du Minas Gerais. Les mines sont exploitées principalement par la société Nacional de Grafite, avec une capacité de production de 70 000 t/an, dans les usines de Pedra Azul, avec 36 000 t/an, Salto da Divisa, avec 12 000 t/an et Itapecerica, avec 9 000 t/an.

- La production canadienne provient de la mine du Lac-des-Iles, située au Québec, exploitée depuis 1989, par Imerys. La mine, à ciel ouvert, a une capacité de production de 25 000 t/an. Dans cette province plusieurs projets sont à l'étude dont celui du Lac Knife, proche de la ville de Fermont, développé, à ciel ouvert, par Focus Graphite avec des réserves prouvées et probables de 7,9 millions de t renfermant 15,13 % de graphite et une production envisagée de 44 300 t/an.

- Madagascar produit, depuis 1907, du graphite de qualité exceptionnelle. En 1925, Madagascar était premier exportateur mondial. Exploité à ciel ouvert, la teneur, de 3 à 10 % est concentrée, par flottation, à 85 - 90 %. Les principaux producteurs sont les Établissements Gallois avec 10 000 t/an dans 3 mines situées sur la côte est, dans la région de Toamisina.

- Commerce international : en 2016, les États-Unis ont importé 39 500 t.

Réserves mondiales : en millions de t, en 2016. Monde (hors Corée du Nord, Canada, Russie) : 250.

Turquie 90 Mozambique 13
Brésil 72 Inde 8
Chine 55 Tanzanie 5
Source : USGS

 

SITUATION FRANCAISE : en 2016.

- Pas de gisement exploité.

- Exportations : 256 t à 61 % vers le Brésil, 32 % vers l'Allemagne.
- Importations : 7 997 t à 53 % d'Espagne, 20 % d'Allemagne, 12 % du Brésil, 7 % de Chine.

 

UTILISATIONS DU GRAPHITE NATUREL :

Consommation : dans le monde, environ 1 million de t, aux États-Unis, en 2016, 24 000 t.

Surtout utilisé pour ses qualités réfractaires (briques, creusets), lubrifiantes, de conduction électrique et sa résistance chimique.

Propriétés particulières : la structure cristalline du graphite constituée de feuillets de graphène liés entre-eux par des liaisons faibles de Van der Waals, lui confère ses propriétés originales :
- lubrifiantes : par glissement des feuillets les uns par rapport aux autres.
- d'anisotropie électrique : la conductivité électrique est d'environ 1000 fois plus importante dans les feuillets qu'entre-eux.
- d'intercalation : diverses espèces chimiques peuvent s'insérer entre les feuillets. Cette propriété qui donne une famille de produits appelés composés d'intercalation est employée pour d'une part fabriquer le graphite expansé et d'autre part intercaler des métaux réducteurs comme le lithium pour élaborer les anodes des batteries lithium-ion.

Afin de satisfaire ses diverses utilisations, le graphite naturel peut subir des traitement variés qui donnent :
- du graphite expansé : il est obtenu par traitement de paillettes de graphite à l'aide d'un mélange d'acides sulfurique et chromique ou nitrique. On obtient ainsi un composé d'intercalation avec oxydation du carbone selon la réaction suivante :

24 C + 0,25 O2 + 3 H2SO4 = [C24]+ [HSO4]-,2H2SO4 + 0,5 H2O

Un chauffage brutal, vers 900-1000°C, se traduit par l'expulsion, sous forme gazeuse, des espèces intercalées et l'exfoliation des feuillets de graphène.
- du graphite sphérique : la forme arrondie des particules permet d'augmenter la compacité des anodes pour batteries. La pureté nécessaire est de plus de 99,95 % et la taille des particules doit être comprise entre 10 et 30 µm. Cette production est concentrée en Chine.
- des feuilles de graphite : elles sont obtenues par compression de graphite expansé. Elles sont souples et permettent l'élaboration de joints d'étanchéité pour hautes températures.

Secteurs d'utilisation : dans le monde, en 2014.

Réfractaires pour élaboration de l'acier 52 % Lubrifiants 5 %
Fonderies (revêtement de creusets) 14 % Recarburation des aciers 4 %
Batteries 8 % Crayons 4 %
Produits de friction 5 % Pièces en graphite 1 %
Source : Roskill

- Comme produit réfractaire, le graphite présente l'avantage de ne pas être mouillé par les laitiers et les métaux en fusion et de posséder une bonne résistance aux chocs thermiques. Il peut être utilisé seul dans les creusets de hauts fourneaux mais il est plutôt employé associé à d'autres matériaux réfractaires, par exemple en sidérurgie sous forme de revêtements magnésie-alumine-graphite dans le fond des poches de coulée de l'acier, sous forme de magnésie-graphite dans les convertisseurs à oxygène, les fours électriques à arc, les cordons de laitier des poches d'affinage, sous forme d'alumine-graphite pour les buses de coulée continue. La consommation est d'environ 5 kg/t d'acier.

- Les batteries lithium-ion utilisent des anodes en graphite sphérique obtenu à 67 % à partir de graphite naturel, 26 % à partir de graphite synthétique et 5 % à partir de carbone amorphe. La quantité de graphite utilisé varie de 5 g pour un smarphone à 90 g pour un ordinateur portable et jusqu'à 70 kg pour un véhicule électrique. Le lithium intercalé de façon réversible entre les feuillets de graphène donne une composition correspondant au maximum à LiC6, la distance inter-feuillet augmentant de 335 pm à 370 pm.
Lors de la décharge, à l'anode, les ions Li+ s'insèrent, en se réduisant, entre les feuillets de graphène selon l'équation :

x Li+ + x e- + 6x C = xLiC6

à la cathode, le lithium est oxydé selon l'équation :

LiCoO2 = Li1-xCoO2 + x Li+ + x e-

Lors de la charge, les réactions inverses ont lieu. L'électrolyte peut être un hexafluorophosphate de lithium, LiPF6, dissous dans un solvant organique.

- Crayons : inventé par Nicolas-Jacques Conté, en 1794, le crayon graphite classique est consommé, dans le monde, au rythme de 50 millions d'unités par jour. La mine est constituée par un mélange d'argile et de graphite. La société Bic qui produisait les crayons graphite de marque Conté dans son usine de Boulogne-sur-Mer au rythme de 700 000 à 800 000 crayons en bois par jour a arrêté cette production après la mise sur le marché du crayon "Évolution" dont tous les composants, y compris la mine, sont fabriqués, par extrusion, à partir du même polymère de base. La production est de un million six cent mille unités par semaine dans l'usine de Boulogne-sur-Mer.

 

GRAPHITE ARTIFICIEL ET MATÉRIAUX EN CARBONE :

Ils possèdent de meilleures propriétés mécaniques que le graphite naturel (les particules de graphite sont liées entre elles par une phase vitreuse).

Pyrolyse et graphitation : ces matériaux sont obtenus par pyrolyse (décomposition thermique en l'absence d'agents chimiques extérieurs) de substances organiques telles que les houilles, le pétrole, les polymères, les hydrocarbures, les brais (obtenus par distillation des goudrons). La pyrolyse se traduit par le départ des matières volatiles contenues dans les matières premières, par la rupture de liaisons dans les hydrocarbures, par des polymérisations et par l'élimination de l'hydrogène. De façon générale, la pyrolyse est effectuée en chauffant progressivement les matières premières jusqu'à environ 1 000°C.

Lorsque le chauffage est réalisé rapidement à haute température, en phase gazeuse, on obtient les noirs de carbone et les pyrocarbones.

Lorsque la pyrolyse se traduit par un ramollissement des matières premières (par formation d'une phase liquide) on a cokéfaction : on obtient ainsi le coke et les produits carbonés aptes à la graphitation. La formation d'une phase liquide qui facilite la mobilité des molécules permet aux molécules aromatiques polycondensées de s'orienter en couches parallèles qui faciliteront ainsi la formation de graphite tridimensionnel. Les microcristaux de graphite ont des dimensions de l'ordre de quelques nm.

La graphitation effectuée vers 2 500 - 3 000°C se traduit par l'élimination de défauts dans les cristallites et le grossissement de celles-ci qui atteignent quelques dizaines à quelques centaines de nm.

Matières premières : les matériaux en graphite artificiel sont souvent utilisés dans des applications qui demandent une grande pureté du graphite. Pour cette raison, on utilise principalement comme matière première le coke de pétrole. Sur une production mondiale annuelle de l'ordre de 25 millions de t de coke de pétrole, environ 1/3 est utilisée pour élaborer des produits carbonés. Sont également utilisés les cokes de brai, l'anthracite calciné et le graphite récupéré lors de l'usinage de pièces en graphite et qui est ainsi recyclé.

Fabrication : les matières premières calcinées sont broyées puis mises en forme à l'aide d'un liant (goudron ou surtout brais utilisés à 150-180°C). La mise en forme est effectuée par extrusion pour des sections jusqu'à 50 mm de diamètre, par pressage hydraulique jusqu'à 1,2 m, par vibrotassage ou pilonnage pour des diamètres supérieurs. Les produits obtenus, appelés produits crus, sont comparables à des produits céramiques avant cuisson. La mise en forme peut également être réalisée par pressage isostatique à chaud.

Cuisson : elle consiste à réaliser la pyrolyse du liant, ce qui se traduit par un départ de matières volatiles et un retrait du produit qui peut atteindre jusqu'à 35 % en volume. Afin d'éviter, dans le matériau, des contraintes internes importantes, la vitesse de chauffage ne dépasse pas 1°C par heure lorsque les pièces ont un volume important. La cuisson est réalisée entre 800 et 1 200°C dans des fours à chambre ou à sole mobile.

Imprégnation primaire : après cuisson, le produit peut subir une imprégnation primaire qui a pour objet de diminuer la porosité (qui peut atteindre 30 % du volume) créée lors de la cuisson. L'imprégnant est en général du brai de houille qui par chauffage ultérieur (par exemple lors de la graphitation) donnera un squelette carboné qui en étayant les parois des pores augmentera la résistance mécanique du matériau. L'imprégnation est effectuée entre 150 et 180°C sous 8 à 30 bar dans des autoclaves, les pièces à imprégner ayant été préalablement dégazées sous vide.

Graphitation : ne concerne qu'une partie de la production de produits en carbone. Elle est effectuée vers 3 000°C par chauffage par effet Joule (dans des fours Acheson ou unifilaires) ou par induction (pour les produits de faibles dimensions). Lorsque le chauffage est réalisé par effet Joule, les pièces doivent être en contact les unes aux autres ou liées par de la poudre de graphite. Le calorifugeage du four qui peut représenter de 3 à 7 fois la masse des pièces à graphitiser est assuré par de la poudre de produits en carbone. Un cycle de graphitation dure de 1 à 3 semaines dont 8 heures à 3 jours sous tension. L'intensité mise en jeu peut atteindre 120 000 A. L'énergie consommée est de 3 000 à 6 000 kWh/t.

Après graphitation, les produits peuvent subir, en fonction des utilisations futures, des imprégnations secondaires, par des résines, des métaux, des verres, du pyrocarbone ou par du phosphate d'aluminium qui diminue l'oxydation des anodes destinées à l'électrométallurgie de l'aluminium. Des purifications (élimination du vanadium, du sodium, par traitement à haute température à l'aide d'halogènes) ou le dépôt de revêtements protecteurs (en SiC) sont également réalisés.

Productions : celle des États-Unis est de 118 000 t, en 2009.

Producteurs : en France, Mersen, ex Carbone Lorraine. La société regroupe deux activités :
- Les systèmes et matériaux avancés regroupant les applications à base de graphite ou d'autres matériaux performants. Cette activité fabrique des revêtements anticorrosion en graphite pour lesquels Mersen est n°1 mondial, des pièces de graphite obtenues par pressage isostatique à chaud en vue d'applications telles que la production de silicium destiné à la fabrication de cellules photovoltaïques, des échangeurs de chaleurs pour l'industrie chimique ou pharmaceutique.
- Les applications électriques regroupent les balais d'alimentation électrique et porte-balais pour machines électriques, les frotteurs pour captage de courant par caténaire, les baguiers et systèmes de transfert de signaux. Mersen est n°1 mondial pour la fabrication de balais en graphite pour moteurs électriques industriels.

- Usines de production de produits en graphite : Gennevilliers (92) et Pagny-sur-Moselle (54) en France, Saint Marys (Pennsylvanie), Bay City (Michigan) et Salem (Virginie) aux États-Unis, Chongqing, en Chine.

Utilisations :

Consommation : la consommation mondiale de produit ayant subi la graphitisation, en 2014, est de 1,6 million de t, dont 159 000 t, en 2013, aux Etats-Unis.

Secteurs d'utilisation, du graphite synthétique et naturel, dans le monde, en 2012 :

Electrodes 34 % Batteries 4 %
Réfractaires pour élaboration de l'acier 20 % Pièces en graphite 4 %
Lubrifiant 6 % Produits de friction 2 %
Fonderies (revêtement de creusets) 5 % Recarburation des aciers 1 %
Source : Roskill

Électrométallurgie de l'aluminium : annuellement, dans le monde, 6 millions de t d'anodes et plusieurs dizaines de milliers de t de cathodes. La consommation d'anodes est de 450 kg/t de Al. Chaque anode pèse plus de 1 t. Leur production est, en général, intégrée dans l'usine d'aluminium. Elles sont préparées par vibrotassage à partir de coke de pétrole et la cuisson est effectuée à 1 100°C dans des fours à chambres à feux tournants. Le traitement de graphitation n'est pas nécessaire. Afin de réduire la combustion de l'anode, celle-ci est recouverte d'une couche d'aluminium obtenue par pulvérisation de métal liquide.

Les cathodes, dont les durées de vie atteignent de 8 à 10 ans, sont réalisées à partir d'anthracite calciné ou de graphite recyclé. La cuisson a lieu à 1 100°C. Les éléments constituant la cathode (0,7 x 0,5 x 3,3 m) sont liés entre eux par des joints en pâte carbonée qui cuisent lors du démarrage des cuves.

Électrodes pour fours à arc : production mondiale : 1 million de t/an. L'arc électrique produit entre les électrodes apporte la chaleur destinée à fondre la charge du four (dans ce cas l'arc se forme entre les électrodes et le produit à fondre) ou à réduire la charge (dans ce cas, les électrodes s'enfoncent dans la charge).
- Fours à fusion : pour la production d'acier (25 % de la consommation totale d'électrodes), de réfractaires électrofondus, d'abrasifs (corindon).
- Fours à réduction : électrométallurgie pour produire les ferro-alliages, le silicium, le carbure de calcium, le phosphore…

Consommations : 100 kg/t de silicium, 30 kg/t de phosphore, 2,5 kg/t d'acier.

Les électrodes pour les fours à fusion ont subi la graphitation. Les électrodes pour les fours à réduction sont seulement cuites à 1 000-1 150°C.

Autres utilisations :

- Balais pour moteurs électriques et générateurs : le graphite assure le contact électrique et autolubrifie la surface métallique.

- Creusets de hauts fourneaux : ils sont constitués de plus de 1 000 t de blocs de carbone, à base d'anthracite calciné, cuits à 1 100°C.

- Moules : les métaux, les verres, les scories ne mouillent pas le graphite. Les moules en graphite sont utilisés pour mouler des pièces de verrerie, pour souder des rails par aluminothermie grâce à l'excellente tenue aux chocs thermiques du graphite. L'électroérosion utilise des électrodes en graphite.

- Tuyères : pour missiles tactiques, fusée Ariane, tubes d'injection de diazote dans les bains en fusion d'alliages légers.

- Disques de frein pour avions (Airbus), pour les TGV…

- Anticathodes : utilisées dans les tubes à rayons X de radiologie. Elles sont en graphite revêtu de tungstène par dépôt chimique en phase vapeur ou par brasage d'une feuille mince. Elles tournent à 12 à 15 000 tours/min. Le graphite permet d'évacuer la chaleur engendrée par l'impact des électrons et limiter les effets liés à la force centrifuge (faible masse volumique du carbone).

- Génie chimique : dans les échangeurs de température, dans les appareillages de synthèse de HCl (plus de 400 unités vendues par Mersen dans le monde, 75 % du marché), les pompes, les colonnes, les évaporateurs… La résistance à la corrosion du graphite est meilleure que celle de la plupart des métaux (sauf Ta, Ti, Zr). La porosité du graphite est éliminée par imprégnation secondaire à l'aide de résines (phénoliques ou furaniques qui sont polymérisées "in situ") ou de pyrocarbone.

- Nucléaire : les réacteurs de la filière graphite-gaz, actuellement, en France, arrêtés, contiennent 3 000 t de graphite par réacteur. Après le démantèlement de ces centrales, le graphite sera incinéré en lit fluidisé.

 

Bibliographie :

- A. Legendre, Le matériau carbone, Eyrolles, 1992.

- Le graphite, Mémento du BRGM, 1989.

- M. Leguérinel et M. Le Gleuher, "Le graphite naturel et synthétique...", Minéral Info, BRGM, janvier 2017.

- European Carbon and Graphite Association (ECGA), Av Broqueville 12, B-1150 Bruxelles, Belgique.

- H.A. Wilhelm et J. L'Heureux, "Graphites naturels et synthétiques pulvérulents", L'Actualité Chimique, n°295-96, mars-avril 2006.

- K. Mugerman, "Graphite black gold of the 21st century", Industrial Alliance, mai 2012.

- F. Barthélémy , J.F. Labbé et J.C. Picot (2012) - Panorama 2011 du marché du graphite naturel. BRGM/RP - 61339 -FR, 91 p. 15 fig., 20 tabl.

- D. Fragasso, "Le graphite", Bulletin Québec mines, novembre 2015.

 

AUTRES CARBONES ARTIFICIELS

Noir animal : obtenu par calcination des os en vase clos (10 % de carbone, 80 % de phosphate tricalcique), avec une surface spécifique de 120 m2/g. Utilisé, par exemple, dans le raffinage du sucre. Après purification par lavage à l'acide chlorhydrique, la teneur en carbone peut atteindre 90 %.

Charbon de bois : 93 % de carbone, de l'hydrogène et 3 % de cendres (carbonates de sodium et potassium). Purifié par des lavages acides. Les pores ont de 0,4 à 50 nm. Utilisé comme combustible ainsi que, sous forme de charbon actif (voir ci-dessous), pour son pouvoir adsorbant.

Pyrocarbone : il est préparé par craquage d'hydrocarbures (propane) vers 1 450°C. Il est déposé sur un support chauffé, en graphite. Le pyrocarbone présente l'avantage d'être hémocompatible (le sang ne coagule pas à son contact). Il entre dans la fabrication de valves cardiaques mécaniques (85 000 valves mécaniques/an dans le monde) et de prothèses de doigts.

 

CHARBON ACTIF

 

Les propriétés du charbon de bois sont connues depuis l'Antiquité pour purifier l'eau, lutter contre les empoisonnements et dès le XIIIème siècle pour purifier le sucre. Par ailleurs, à compter de la première guerre mondiale, le développement des armes chimiques a entraîné le développement de l'utilisation des masques à gaz.

 

FABRICATION INDUSTRIELLE :

Il est produit à partir de bois, coques de noix de coco, noyaux d'olives et aussi à partir de houille, tourbe, lignite, pâte de bois et de résidus pétroliers. Le pouvoir adsorbant du charbon est augmenté en éliminant les goudrons qui obstruent les pores. Cette opération (activation) est effectuée soit :
- par de la vapeur d'eau à 900-1000°C (activation physique) qui donne un charbon à pores étroits,
- par de l'acide phosphorique à 400-500°C (activation chimique) qui donne des pores plus larges.

Le diamètre des pores dépend également de la matière première utilisée. Les coques de noix de coco donnent des micropores (< 2 nm), le bois des mésopores (entre 2 et 50 nm) et des macropores (> 50 nm).

Un gramme de charbon actif a une surface spécifique comprise entre 400 et 2 500 m2. Pour l'adsorption des impuretés gazeuses les pores ont de 1 à 2 nm, pour la fixation des impuretés dans les liquides, de 2 à 10 nm. Il est bien adapté pour l'adsorption des gaz. Il est hydrophobe et organophile.

Le charbon est soit en poudre (après utilisation, il est incinéré ou placé en décharge), soit en grains ou extrudé. Dans ces derniers cas, il est régénérable avec 5 à 15 % de pertes, par traitement, à 900°C, par de la vapeur d'eau ou par des lavages acides ou alcalins. En 2014, 50,6 % de la consommation est sous forme de poudre, 46,8 % sous forme de granulés.

Imprégnation : afin de fixer des phases gazeuses spécifiques, par chimisorption, le charbon actif peut être imprégné par divers composés :
- du soufre pour fixer le mercure,
- de l'iodure de potassium : pour fixer le sulfure d'hydrogène, l'arséniure d'hydrogène, des isotopes radioactifs,
- du carbonate de potassium pour fixer le chlorure d'hydrogène, le fluorure d'hydrogène, le dioxyde de soufre.

 

PRODUCTIONS :

En 2015, les capacités mondiales de production sont de 2,1 millions de t/an, dont 900 000 t/an en Chine.
En 2016, la production chinoise est de 670 000 t (430 000 t à partir de charbon, 200 000 t à partir de bois) et les exportations de 230 000 t.

Producteurs :

Cabot, a acquis Norit, en juillet 2012, avec des usines aux Pays Bas (Klazienaveen et Zaandam), Italie (Ravenne), Royaume-Uni (Glasgow et Purton), États-Unis (Marshall, au Texas et Pryor, dans l'Oklahoma). Produit également du charbon actif à travers des joints ventures au Canada, à Estevan dans la province du Saskatchewan, avec Westmoreland Coal Company et au Mexique, à Atitalaquia, dans l'état d'Hidalgo, avec la société Clarimex. Par ailleurs, Cabot a ouvert, en novembre 2014, une mine de lignite exploitée par Caddo Creek Resources, filiale de North American Coal Corporation, destinée à alimenter l'usine de Marshall, au Texas.

Osaka Gas Chemicals, groupe japonnais, a acquis en 2014, la société suédoise Jacobi, qui avait racheté en septembre 2011 la société française PICA. La production est réalisée principalement à partir de noix de coco, avec une capacité de production de 60 000 t/an et des usines, en France, à Vierzon (18), aux États-Unis, à Columbus (Ohio), en Italie, à Basiano, au Vietnam à Ben Tre, en Chine à Tianjin, en Inde à Coimbatore avec 16 000 t/an, au Sri Lanka à Colombo avec 9 000 t/an, aux Philippines à Cagayon de Oro avec 20 000 t/an, en Malaisie et au Japon. Les matières premières sont généralement carbonisées au préalable par les fournisseurs de Chine, Philippines, Indonésie, Malaisie, Sri Lanka, Inde, Vietnam. Produit également du charbon actif à partir de bois de pin ou à partir de houille.
Des usines de réactivation sont en activité à Premnitz, en Allemagne avec 8 000 t/an, à Saint Gabriel, banlieue de Baton Rouge, en Louisiane, aux États-Unis et à Vierzon, en France.

Datong Coal Jinding Activated Carbon, possède, en Chine une capacité de production de 100 000 t/an obtenue à partir de charbon.

Fujian Yuanli Active Carbon, produit en Chine principalement à partir de bois.

Calgon Carbon Corp (Chemviron Carbon en Europe) :
Utilise principalement des charbons de houille comme matière première, avec des capacités de production de 123 000 t/an.

Les usines de production sont situées à Catlettsburgh (Kentucky), Pittsburg (Pennsylvanie), Blue Lake (Californie), Columbus (Ohio), Pearlington (Mississippi), aux États-Unis, Grays, Ashton et Houghton Le Spring, au Royaume-Uni, Feluy, en Belgique, Datong, Suzhou et Tianjin en Chine, Fukui au Japon.
Possède des capacités de régénération des charbons actifs (par chauffage à 1000°C) de 98 000 t/an, aux États-Unis, au Japon, en Thaïlande et en Europe à Feluy (Belgique) et Grays (Royaume-Uni). A acquis, en novembre 2016, auprès d'Arkema, la société CECA qui produit des charbons actifs en France, à Parentis (40), à partir de bois de pin des Landes, activé à la vapeur d'eau. De la sciure de bois est également activée chimiquement. Capacité : 15 000 t/an, à 90 % en poudre. Production également en Italie à Legnago (près de Vérone).

La société srilankaise Haycarb possède une capacité de production de 42 000 t/an à partir de noix de coco avec des unités de production au Sri Lanka, en Thaïlande et en Indonésie.

Autres producteurs :

- aux États-Unis :
Evoqua Water Technologies (ex Siemens Water Technologies) utilise comme matière première du charbon bitumineux, de l'anthracite ou des coques de noix de coco. Possède de nombreuses unités de production dont des usines de régénération aux États-Unis à Darlington, en Pennsylvanie, Parker, dans l'Arizona et Red Bluff, en Californie.
Ingevity, division de WestRock, utilise le bois ou la sciure de bois comme matière première avec 2 usines aux États-Unis à Covington (Virginie) et Wickliffe (Kentucky).
ADA ES, aux États-Unis, au travers de la joint venture ADA Carbon Solution, avec 2 usines de production en Louisiane, 68 000 t/an à Red River Parish et 27 000 t/an à Natchitoches.
-
en Europe :
Donau Carbon, filiale de Donau Chemie Group, groupe autrichien, produit à partir de charbon, lignite, noix de coco, bois. La production à partir de noix de coco est réalisée à Mindanao Island, aux Philippines, les autres productions, à Pischelsdorf, en Autriche. Des activités de régénération sont effectuées à Pischelsdorf et à Frankfurt, en Allemagne.
CarboTech, groupe allemand, produit du charbon actif à partir de charbon, dans son usine d'Essen, en Allemagne.
Desotec, société belge, possède une unité de réactivation à Roeselare, en Belgique.

 

SITUATION FRANCAISE : en 2016.

Producteurs :
- Calgon Carbon Corp (Chemviron Carbon en Europe) a acquis auprès d'Arkema la société CECA qui produit du charbon actif à Parentis (40), avec une capacité de production de 15 000 t/an.
- Osaka Gas Chemicals, avec sa filiale Jacobi, ex-PICA, produit et réactive du charbon actif à Vierzon (18).

- Exportations : 14 154 t vers l'Espagne à 19 %, l'Allemagne à 16 %, la Belgique à 11 %, l'Italie à 10 %.
- Importations : 36 654 t de Belgique à 52 %, d'Allemagne à 14 %, de Chine à 13 %, des Pays Bas à 5 %.

 

UTILISATIONS :

Consommation mondiale, en 2016 : 1,65 million de t, provenant, en 2010, à 52 % de charbon, 23 % de bois, 18 % de noix de coco, 5 % de lignite, 2 % de noyaux et coquilles de noix diverses. En 2016, la consommation chinoise est de 440 000 t.

Secteurs d'utilisation : dans le monde, en 2016 :

Traitement de l'eau 41 % Pharmacie, médecine 6 %
Purification de l'air 30 % Automobiles 4 %
Agroalimentaire 14%    
Source : IHS Markit

L'usine de traitement de l'eau du Syndicat des Eaux d’Île de France, à Choisy le Roi (350 000 m3 par jour d'eau épurée en moyenne et 800 000 m3 par jour de production maximale pour 1,7 million d'habitants) utilise 21 filtres à charbon actif qui en fixant des bactéries présentes dans l'eau à traiter permet à celles-ci de dégrader les matières organiques. Après ozonation, l'eau traverse une couche de 2,5 m de charbon actif avec un temps de contact de 10 min. Le débit par unité de traitement est de 1 800 m3/h. Les trois usines du Syndicat des Eaux d'Île-de-France sont équipées d'une filière biologique utilisant le couplage "ozone-charbon actif en grains" qui reproduit, en accéléré, les mécanismes de l'épuration naturelle de l'eau à travers le sol.

Actuellement, son utilisation se développe aux États-Unis, pour la fixation du mercure libéré par la combustion du charbon dans les usines de production d'électricité à partir de charbon. En effet le "Clean Air Mercury Rule" de l'Agence de Protection de l'Environnement des Etats-Unis est devenu effectif en avril 2015.

Autres secteurs importants de consommation : le traitement des effluents liquides (élimination du sulfure d'hydrogène dissous), la purification de gaz, la décoloration du sucre...

Utilisations diverses :

- Le charbon activé n'a ni goût, ni odeur, ni effet désagréable. Il n'a pratiquement aucune contre-indication pour l'alimentation humaine. Par exemple, la décaféination du café, par l'eau (procédé Nestlé), utilise du charbon actif.

- Déchloration de l'eau destinée à la fabrication de la bière, des boissons gazeuses…, par action catalytique du charbon actif : HClO et ClO- donnent du dioxygène et des ions chlorures.

- En œnologie, pour détacher des vins blancs, par exemple, dans le cas du Champagne produit à partir de pinot noir (raisin noir à jus blanc). Les pigments de la peau du raisin peuvent colorer le jus. D'ailleurs, des vins rouges réputés (Bourgogne, Sancerre…) sont produits avec ce même pinot. Le charbon actif utilisé dans ce cas doit être activé chimiquement et exempt de fer afin d'éviter la casse ferrique du vin.

- Il est également utilisé pour l'extraction de l'or des minerais (voir le chapitre consacré à cet élément). La consommation minière a été, en 2014, de 96 000 t.

- Dans les masques à gaz, certains filtres de cigarettes, les filtres de rétention des vapeurs d'essence émises par le carburateur des automobiles (canister) et lors du remplissage des réservoirs d'essence (dans ce dernier cas, émission de 50 000 t d'hydrocarbures gazeux/an en France et 350 000 t/an en Europe).

- En médecine après des empoisonnement par absorption de substances toxiques. C'est un antidote en cas d'intoxication par médicaments, stupéfiants, détergents, produits chimiques agricoles (organo-phosphorés)...

 

Bibliographie :

- Techniques de l'Ingénieur, 1991.

- Activated Carbon Producers Association, Cefic, AV E. Van Nieuwenhuys 4, B-1160, Bruxelles, Belgique.

- BUP n°773, avril 1995.

 

COKE

 

FABRICATION INDUSTRIELLE :

Il est obtenu après élimination des composés volatils du charbon par distillation en vase clos, dans des fours de 12 à 18 m de long, 4 à 8 m de haut et 0,4 à 0,6 m de large. Les fours sont installés en batterie de 25 à 63 fours. La durée de vie des fours est supérieure à 30 ans. Quand le four a démarré, son fonctionnement ne peut-être interrompu. La cokéfaction dure de 20 à 30 heures à 1100-1400°C. Le coke est refroidi par aspersion à l'eau ou sous une atmosphère de gaz inerte.

- La production mondiale de coke consomme de l'ordre de 500 millions de t de houille soit 15 % de la production charbonnière (hors lignite).

- 1 t de houille donne en moyenne 750 kg de coke, 30 à 40 kg de goudrons, 7 à 12 kg de benzol (80 % benzène, 15 % toluène, 5 % xylène), 5 à 10 kg de sulfate d'ammonium et 300 à 350 m3 de gaz (60 % H2 - 25 % CH4).

- Composition du coke (exemple) : carbone : 88 %, cendres : 9 %, eau : 1,7 %, azote : 1,3 %.

 

PRODUCTIONS : en 2015, en millions de t. Monde : 652, Union européenne : 39,3.

Chine 448 États-Unis, en 2016 10,7
Russie, en 2013 36,4 Brésil, en 2013 9,4
Japon 33,0 Pologne 9,2
Inde 23,8 Allemagne 8,8
Ukraine, en 2013 17,6 Taïwan 6,0
Corée du Sud 17,5 France 3,2
Source : Verein der Kohlenimpoteure

Principaux pays exportateurs, en 2015 : Chine avec 9,8 millions de t, Russie avec 2,5 millions de t, Pologne avec 2,3 millions de t.

 

SITUATION FRANCAISE : en 2016.

- Production, en 2015, de 3,15 millions de t dans 3 cokeries intégrées aux complexes sidérurgiques d'ArcelorMittal à Fos (13), Dunkerque (59) et Sérémange (57). Après l'arrêt des hauts fourneaux de Lorraine, le coke produit à Sérémange alimente l'usine de Dunkerque.

- La cokerie de Drocourt, exploitée par les Charbonnages de France a été arrêtée le 20 mars 2002. Son record de production avait été de 5 000 t/j. C'était la cokerie la plus importante d'Europe. La cokerie de Carling a été arrêtée en 2009.

- Exportations : 10 294 t, vers la Norvège à 83 %, l'Espagne à 14 %.
- Importations : 345 604 t, de Pologne à 34 %, de République tchèque à 12 %, du Royaume Uni à 12 %, d'Allemagne à 10 %, d'Italie à 9 %.

 

UTILISATIONS :

Essentiellement en sidérurgie. Il permet d'apporter le carbone nécessaire au fonctionnement du haut fourneau à l'aide d'un matériau perméable, résistant mécaniquement à la compression et non fusible, qualités que ne possède pas la houille qui, en particulier, fond entre 350 et 500°C.

La consommation est de 330 à 450 kg/t de fonte dans un haut fourneau.

 

Bibliographie :

- Fédération Française de l'Acier, Elysées La Défense, 19 le Parvis, Cedex 35, 92072 Paris La Défense.

- Verein der Kohlenimpoteure, Ferninandstrasse 35, 20095 Hamburg, Allemagne.

- Resource-Net.

 

NOIR DE CARBONE
(ou carbon black)

 

CARACTERISTIQUES :

Les noirs de carbone sont constitués de carbone (98 à 99,7 %) présent sous forme de particules sphériques (de 10 à 500 nm) agrégées (quelques dizaines à quelques centaines de particules). Leur surface spécifique est comprise entre 10 et 300 m2/g. Initialement produit, en Chine, par combustion incomplète dans des lampes à huile (c'est le noir de fumée), et destiné à fournir le pigment noir de l'encre de Chine, c'est en 1912, qu'il montra fortuitement ses qualités exceptionnelles de renforcement des pneumatiques en caoutchouc.

Il existe de nombreuses qualités de noir de carbone, en fonction des matières premières utilisées, des conditions de combustion et de décomposition thermique.

 

FABRICATION INDUSTRIELLE :

Il est produit principalement par combustion incomplète de résidus pétroliers lourds selon le procédé Oil Furnace Black (utilisé pour 98 % de la production mondiale). La réaction a lieu dans un four dans lequel est brûlé du gaz naturel en présence d'un excès d'air. La charge pétrolière est introduite radialement. La température atteinte, de 1400 à 2000°C et la durée de réaction de 1/100 à 1/10 de seconde dépend du type de noir désiré. Les gaz de combustion, contenant le noir de carbone, sont refroidis rapidement par pulvérisation d'eau puis le noir de carbone est récupéré par filtration. Par exemple, l'unité Cofrablack (filiale d'Orion) d'Ambès (33) utilisait 4000 filtres à manche en fibre de verre de 3 m de long et 15 à 20 cm de diamètre. Un courant gazeux inversé vide les filtres alternativement toutes les 2 à 3 minutes. L'achat de la charge pétrolière lourde représente plus de 30 % du prix de vente. Les unités de production ont une capacité moyenne de 75 t/jour et, par usine, on compte, en général, de 2 à 5 unités.

Les rendements sont d'environ 50 % par rapport au carbone contenu dans la charge.

Du goudron de houille est utilisé, partiellement, par Orion dans ses usines allemandes.

Le craquage de l'acétylène, avec des températures de plus de 2000°C, donne les noirs de carbone les plus purs et possédant un caractère conducteur plus marqué.

 

PRODUCTIONS :

Capacités de production : en 2016, la capacité mondiale de production est de 17,2 millions de t/an.

Productions de l'Union européenne : en 2016, avec un total de 1,813 million de t. En tonnes :

Allemagne 841 245 Pays Bas, en 2014 112 143
Italie 230 633 Espagne 63 564
France 140 308 Pologne 61 753
République tchèque, en 2015 116 612    
Sources : Eurostat

Producteurs : en parts de marché.

Cabot (États-Unis) 14 % Tokai Carbon (Japon) 3 %
Aditya Birla Group (Inde) 14 % Phillips Carbon Black (Inde) 3 %
Orion Engineered Carbons (Luxembourg) 8 % Sid Richardson (Etats-Unis) 3 %
Jiangxi Black Cat Carbon (Chine) 6 % Longxing Chemical (Chine) 3 %
China Synthetic Ruber (Taïwan) 5 % Omsk Carbon (Russie) 3 %
Sources : rapports des sociétés et Omsk

Cabot, exploite 39 usines dans le monde, avec une capacité de production de 2 millions de t/an. Aux Etats-Unis, en Louisiane à Franklin et Ville Plate, dans le Massachusetts à Billerica et Haverhill, au Texas à Pampa, au Canada, à Sarnia dans l'Ontario, en Argentine à Campana, au Brésil à Maua, en Colombie à Cartagena, en République tchèque à Valasske Mezirici, en France à Lillebonne, en Italie à Ravenne, au Pays Bas à Botlek, en Indonésie à Cilega, au Mexique à Altamira, au Venezuela à Valencia, au Japon à Chiba et Shimonoseki, en Chine à Shanghai, Tianjin et Xingtai.

Aditya Birla Group produit du noir de carbone, avec en 2016, une capacité de production de 2 millions de t/an, dans 17 usines à travers 5 sociétés : Alexandria Carbon Black, en Egypte avec des capacités de production de 285 000 t/an, Hi-Tech Carbon, en Inde, à Murdhawa, Patalganga et Gummidipoondi, avec 346 000 t/an, Thai Carbon Black, en Thaïlande, à Angthong, avec 275 000 t/an, Liaoning Birla Carbon, en Chine à Dashiqiao et Weifong et Columbian Chemicals Company (ex Columbian Carbon), avec une capacité de production de plus de 1 million de t/an, possède des usines, aux Etats-Unis à Ulysses dans le Kansas et Centerville en Louisiane, au Canada à Hamilton dans l'Ontario, au Brésil à Cutatão et Camacari, en Corée du Sud à Yeosu, en Espagne à Gajano, en Cantabrique, en Allemagne à Hannover Misburg, en Italie à San Martino di Trecate et en Hongrie, à Tiszaujvaros.

Orion Engineered Carbons (ex Degussa, ex Evonik), n°3 mondial, avec, en 2016, une capacité de production de 1,275 million de t/an et une production de 1,128 million de t dont 886 100 t pour le renforcement des caoutchoucs (8 % du marché mondial) et 241 800 t destinés à des spécialités (26 % du marché mondial). Dispose de 14 unités de production de noir de carbone, aux États-Unis, à Belpre dans l'Ohio avec une capacité de production de 74 000 t/an, à Borger au Texas avec 105 000 t/an, à Orange au Texas avec 74 000 t/an et à Ivanoe en Louisiane avec 122 000 t/an, en Corée du Sud, à Bupyeong (qui doit fermer en 2018) avec 55 000 t/an et Yeosu avec 190 000 t/an, en Chine, à Quingdao avec 75 000 t/an, au Brésil, à Paulinia dans l'état de Sao Paulo avec 95 000 t/an, en Afrique du Sud, à Port Elizabeth avec 65 000 t/an, en Allemagne, à Cologne avec 142 000 t/an et à Dortmund dans une joint venture à 54 %, avec 128 000 t/an, en Suède, à Malmö avec 45 000 t/an, en Pologne, à Jaslo avec 40 000 t/an et en Italie, à Ravenne avec 75 000 t/an. En France, l'usine de Ambès, avec 50 000 t/an, a fermé fin décembre 2016.

Jiangxi Black Cat Carbon, n°1 chinois, possède, en 2014, une capacité de production de 900 000 t/an.

China Synthetic Ruber, société taiwanaise, possède, en 2016, une capacité de production de 790 000 t/an avec 8 usines de production, 3 en Chine, 1 à Taïwan, 1 en Inde et 3 aux États-Unis avec sa filiale Continental Carbon, à Phenix dans l'Alabama, Sunray au Texas et Ponca dans l'Oklahoma.

Tokai Carbon, possède des unités de production au Japon, à Kyushu Wakamatsu, Chita et Ishinomaki, en Thaïlande, en Corée du Sud, en Chine, à Tianjin et a acquis, en avril 2014, la société canadienne, Cancarb avec son usine de Medicine Hat, dans l'Alberta avec une capacité de production de 45 000 t/an.

Phillips Carbon Black, filiale du groupe RP-Sanjiv Goenka, avec, en 2016, une capacité de production de 472 000 t/an et une production de 332 000 t exploite, en Inde, des usines au Bengale Occidental, à Durgapur avec 147 000 t/an, dans le Gujarat, à Palej avec 95 000 t/an et Mundra avec 140 000 t/an et dans le Kerala à Kochin avec 90 000 t/an.

Sid Richardson, avec une capacité totale de production de 420 000 t/an, exploite 3 usines aux États-Unis, à Big Spring, avec 109 000 t/an, et Borger, avec 168 000 t/an, au Texas et Addis, avec 143 000 t/an, en Louisiane .

Longxing Chemical, possède une capacité de production de 420 000 t/an à Shahe dans le Hebei et Jiaozuo dans le Henan.

Omsk Carbon, possède une capacité de production de 460 000 t/an, à Omsk avec 260 000 t/an et Volgograd avec 200 000 t/an. Une usine de 160 000 t/an devrait démarrer, en 2018, à Mogilev, en Biélorussie.

 

SITUATION FRANCAISE : en 2016.

Production : 140 308 t.

Producteurs :
-
Orion Engineered Carbons avec l'usine Cofrablack à Ambès (33) d'une capacité de production de 50 000 t/an qui a fermé fin décembre 2016.
- Cabot produit du noir de carbone à Lillebonne (76).

Commerce extérieur :
- Exportations : 92 975 t, vers l'Espagne à 22 %, l'Allemagne à 19 %, la Belgique à 13 %, le Portugal à 12 %, l'Italie à 12 %.
- Importation : 152 054 t, d'Allemagne à 41 %, de Russie à 7 %, de République tchèque à 6 %.

 

UTILISATIONS :

Consommations : dans le monde, en 2016, de 13 millions de t.

Secteurs d'utilisation : dans le monde, en 2016.

Pneumatiques 70 % Autres applications hors caoutchoucs 10 %
Autres caoutchoucs 20 %    
Source : IHS

Utilisations diverses :

- 1 pneu de 7 kg contient 3 kg de noir de carbone qui lui apporte sa résistance à l'usure. Une automobile (y compris les pneumatiques) contient près de 18 kg de noir de carbone. Les bandes de roulement utilisent des noirs d'environ 30 nm (10 à 20 nm pour les véhicules rapides et tout-terrain), les carcasses et les flancs des noirs de 30 à 60 nm. Les noirs fins apportent de la dureté, les noirs plus gros conservent la souplesse du caoutchouc. Le noir de carbone est actuellement, dans la fabrication des pneus verts, en partie concurrencé par les silices précipitées (voir le chapitre silice).

- Les encres liquides pour grands tirages (journaux) contiennent près de 10 % de leur masse de noir. Les encres grasses pour offset de 20 à 30 %.

- Les peintures pour automobile, les laques pour mobilier et pianos contiennent des noirs très fins (10 à 20 nm).

- Le noir de carbone assure, à des teneurs en masse de 1 à 3 %, la protection des plastiques et élastomères contre les UV. Utilisé pour les gaines électriques, les canalisations…

- Les noirs de carbone conducteurs (150 000 t/an dans le monde), obtenus, en partie, à partir de l'acétylène, sont utilisés dans les piles électriques salines (40 000 t/an), les câbles souterrains de haut voltage (60 000 à 80 000 t/an), les plastiques et caoutchoucs conducteurs…. Dans les câbles conducteurs, les noirs conducteurs sont incorporés dans l'enduction des torons d'aluminium et assurent ainsi l'égalisation du champ électrique et la prévention de l'effet Corona.

 

Bibliographie :

- International Carbon Black Association.

- L'Actualité chimique, fiche n°31, "Le noir de carbone", n°395, avril 2015.

- Informations de Cofrablack, BP 3, 33810 Ambès.

© Société Chimique de France.