Réactivité des différents macéraux de   charbon

Réactivité des différents macéraux de   charbon

 Les différences de réactivité des macéraux constituant le charbon ont été constatées de longue date. En cokéfaction, l’inertinite est réputée non réactive, d’où son nom. Given et al [58,59] ont séparé les macéraux par gradient de densité (voir partie 1.4.2 p 25) et préparé des mélanges aux teneurs connues. Ces mélanges ont ensuite été convertis pendant une heure, avec catalyseur, à 385°C et 24.1 MPa. Le solvant utilisé était une huile anthracénique avec un rapport massique solvant/charbon de 2/1. Les auteurs ont ainsi montré une corrélation entre la teneur en vitrinite + exinite (macéraux jusque là présumés réactifs) et la conversion en liquéfaction (Figure 14), confirmant les différences de réactivité observées en cokéfaction.De même, Neavel [60] a discuté de la réactivité des différents macéraux par observation des résidus non convertis. Il établit ainsi l’ordre de réactivité suivant : vitrinite>exinite>inertinite. L’impact de la composition macérale sur la qualité des produits a été également étudié. Keogh et al. [61] ont séparé différentes fractions d’un même charbon (Lower Elkhorn) par gradient de densité pour récolter trois fractions riches respectivement en vitrinite, exinite et inertinite. Ils ont fait réagir 5g de charge pour 7.5g de tétraline à trois températures (385°C, 427°C et 445°C), sous 5.45 MPa (pression à froid) pendant 15 min. Ils montrent ainsi que pour des conversions basses, les trois macéraux conduisent aux mêmes teneurs en Huiles+Gaz, alors qu’à haute conversion, l’exinite conduit à des rendements en huiles plus élevées et l’inertinite à des rendements moins élevés. L’étude donne des analyses CHONS sur les huiles, asphaltènes et préasphaltènes (H/AS/PAS) et un fractionnement SAR (saturés, aromatiques, résines) sur les huiles. Ils montrent également un effet de synergie pour la réactivité des macéraux, puisque les sommes des conversions des macéraux seuls pondérées des compositions macérales sont inférieures à la conversion du charbon brut. Cet effet de synergie n’est pas observé par Brodzki et al. [62]. En revanche, ils montrent également que l’exinite conduit à des rendements en huiles supérieurs, ce qui est expliqué par une réactivité supérieure provenant d’une étape de craquage « secondaire » (suivant la formation des radicaux). Ils montrent aussi une différence de composition moléculaire des huiles, avec la présence de plus de chaînes aliphatiques linéaires dans les huiles issues de la conversion de la vitrinite. 

Réactivité en fonction du rang 

Un autre paramètre impactant la réactivité des charbons, lié à la composition macérale, est le rang ou degré de houillification. Whitehurst et al. [9] ont rapporté une relation non linéaire entre la conversion et le rang du charbon, représenté par sa teneur en carbone (Figure 15). Cette conversion a été déterminée pour des temps de séjour faibles (3 minutes pour une quantité de charbon chargée de l’ordre du gramme), ce qui semble correspondre plutôt à l’étape de dissolution. Les charbons les plus réactifs sont ceux de rangs moyens, type subbitumineux ou bitumineux à haute teneur en matières volatiles.Given et al. [53,54] obtiennent les mêmes tendances. Plus le rang augmente, plus le charbon est réactif, mais seulement jusqu’à une teneur en carbone de 85%m/m dmmf environ. Dans cette même série d’articles, des données qualitatives sont fournies en fonction du rang. Par oxydation sélective à l’acide pertrifuoroacétique, les produits de dégradation de huit charbons de rangs différents sont étudiés. Ils montrent ainsi que les rendements en diacides aliphatiques diminuent avec le rang du charbon. De plus, les analyses élémentaires et RMN des asphaltènes issus de ces mêmes charbons (liquéfaction à 427°C, sous azote pendant 30 min), montrent par exemple que la teneur en oxygène des asphaltènes varie linéairement avec le rang du charbon. 

Réactivité en fonction du taux de cendres

 Il est important de s’intéresser à la réactivité des charbons en fonction du taux de cendres. En effet, il sera vu en partie 4.2.1 p 58, que la partie minérale du charbon, contenant des éléments métalliques, a un effet auto-catalytique. Whitehurst et al. [9] montrent que la conversion augmente avec la teneur en cendres, à partir d’un charbon subbitumineux (Wyodak) plus ou moins déminéralisé (Figure 16). La déminéralisation consiste en un traitement à l’acide, typiquement par HCl puis HF et à nouveau HCl. La température et les concentrations des acides ont été ajustées pour limiter l’altération de la partie organique du charbon. Ces travaux avaient été initiés par Radmacher (1955) et Bishop (1958).  3.1.4. Autres effets de charge Granulométrie Les travaux de Lytle et al. [7,56,57], de Derbyshire et al. [9,63] ou de Vitorovic et al. [64] indiquent que le broyage du charbon implique des différences de composition dans les différentes « fractions » collectées après broyages (et tamisages) successifs (Tableau 14). En effet, le charbon étant composé de différents macéraux (de densité et de composition différentes), leur broyabilité aussi est différente. Des différences compositionnelles dans les différentes fractions du broyage sont donc logiquement observées. De plus, si les différents macéraux ont des réactivités différentes, le taux de cendres a également un impact, et celui-ci varie en fonction des fractions. Il est donc difficile de déterminer si les différences de réactivité observées pour ces fractions proviennent d’un effet de la taille des particules ou bien de la variabilité de composition liée au broyage.