Gazéification du charbon

La gazéification du charbon désigne la conversion d'un combustible solide en gaz de synthèse (principalement monoxyde de carbone et dihydrogène) par oxydation partielle à haute température. Ce procédé s'inscrit dans la famille des technologies d'oxydation partielle, qui englobent également la gazéification des huiles lourdes et des résidus pétroliers. Dans le secteur des engrais, il constitue une voie alternative au reformage du gaz à la vapeur pour la production d'ammoniac, notamment dans les régions disposant d'importantes réserves de charbon mais peu de ressources gazières.

Principes technologiques

Deux types de gazogènes ont été industrialisés pour la production d'ammoniac : la gazéification en lit mobile (« moving bed gasification ») et la gazéification en lit entraîné (« entrained flow gasification »)^[1]. Dans cette dernière configuration, le charbon est introduit sous forme de poussière sèche (via des sas et des doseurs rotatifs) ou de boue concentrée eau-charbon (pompée par des pompes à piston)^[1]. Les pressions appliquées s'étendent de 30 à 80 bar^[1]. La réaction, non catalytique, se déroule à des températures avoisinant 1 500 °C, avec ajout de vapeur pour modérer la chaleur^[1]. Le gaz brut obtenu présente une faible teneur en méthane (0,4 %), une teneur modérée en dioxyde de carbone et un rapport CO/H2 supérieur à 1^[1].

Le gazogène en lit entraîné correspond fondamentalement au concept d'oxydation partielle des hydrocarbures lourds, réalisé dans une enceinte pressurisée vide^[1]. Les différences portent principalement sur le mode d'introduction du combustible^[1]. Le refroidissement du gaz chaud et l'élimination des solides peuvent s'effectuer par différents dispositifs selon les procédés, notamment par trempe à l'eau ou dans une chaudière de récupération, avec des degrés d'intégration variables^[1]. Les cendres minérales sont collectées sous forme de laitier (slag) au fond du gazogène^[1].

Intégration dans la production d'ammoniac

Le gaz de synthèse brut doit subir plusieurs étapes de purification avant d'alimenter la synthèse d'ammoniac^[2]. Une unité de séparation d'air fournit l'oxygène nécessaire à l'oxydation partielle et l'azote requis pour la réaction de synthèse ainsi que pour le lavage final à l'azote liquide^[2][3]. Ce lavage à l'azote liquide permet d'éliminer les impuretés résiduelles et d'ajuster le rapport hydrogène/azote du gaz de synthèse^[3]. Le gaz subit ensuite les étapes classiques de conversion du CO, d'élimination du CO2, puis compression avant d'être dirigé vers le réacteur de synthèse d'ammoniac^[4].

Les composés soufrés présents dans l'alimentation sont convertis en sulfure d'hydrogène au cours de la gazéification^[3]. Dans la filière huiles lourdes, les métaux lourds (nickel, vanadium) introduits avec le combustible se présentent en suspension sous forme d'oxydes et partiellement comme sels dans le circuit aqueux de lavage des suies ; une purge de ces eaux est nécessaire pour prévenir leur accumulation, et une pâte contenant vanadium et nickel est récupérée puis vendue à l'industrie métallurgique^[1].

Bilan énergétique et environnemental

Comparativement au reformage du gaz naturel, la voie charbon affiche des consommations et des coûts sensiblement plus élevés. Selon des estimations de référence pour des technologies modernes dans des conditions économiques européennes, la consommation énergétique relative s'établit à 1,7 (base gaz naturel = 1,0), les coûts d'investissement à 2,4 et les coûts de production à 1,7^[5]. L'ammoniac issu de charbon présente une empreinte carbone quasi double par rapport à celui produit à partir de gaz naturel : selon des données de Fertilizers Europe (2016) relatives à la production de 2014, la production d'urée à partir d'ammoniac charbonnier génère 6,53 kg équivalent CO2 par kg d'azote uréique, contre 3,50 kg pour une unité européenne fonctionnant au gaz^[6]. Pour le nitrate d'ammonium, l'écart se creuse davantage : 11,06 kg équivalent CO2 par kg d'azote nitrique en Chine (charbon), contre 3,42 kg en Europe selon les mêmes données^[6].

Perspectives et place dans le marché

Malgré son rendement énergétique inférieur, la gazéification du charbon demeure stratégique dans certaines économies disposant d'abondantes réserves houillères. Elle contribue à déterminer le « plancher de prix » du marché des engrais azotés lorsque la demande est faible, ce seuil étant fixé par la région productrice aux coûts d'alimentation énergétique les plus élevés (gaz naturel ou charbon)^[7]. Dans une perspective très long terme (50 à 200 ans), les réserves mondiales de charbon pourraient lui conférer un rôle croissant si les ressources gazières s'épuisent^[3][5]. L'émergence de l'ammoniac vert et bleu et la pression réglementaire sur les émissions de gaz à effet de serre, notamment via le SEQE-UE et le CBAM, remettent cependant en question la compétitivité de cette voie carbonée en Europe.