Coke (charbon)

Lecokeest uncombustibleobtenu parpyrolysede lahouilledans unfourà l'abri de l'air ; ces fours sont regroupés en batteries dans une usine appeléecokerie. Ce procédé a longtemps été très polluant et l'est encore dans les pays en développement. En Europe, il ne subsiste que quelques cokeries dont les émissions, les sous-produits et les déchets sont contrôlés : cependant, malgré une réglementation écologique plus stricte, ces usines restent des sources d'importante pollution atmosphérique et de gaz à effet de serre.
Le coke est fabriqué dans une usine appeléecokerieou, plus anciennement,fours à coke. Cette usine comprend plusieurs séries de fours rectangulaires disposés en batterie (en général entre 25 et 30 fours par batterie). La cokerie peut comprendre 12 batteries de 30 fours chacune. Les cokeries peuvent produire différentes variétés de coke en fonction de la qualité du charbon et de la durée de cuisson. Il existe du coke de fonderie, du coke sidérurgique et même du coke domestique, destiné à être brûlé comme des boulets de charbons agglomérés.
La cuisson peut durer entre 16 et 40 heures en fonction de la qualité recherchée. Durant cette « cuisson », le mélange de houilles enfourné est transformé en coke par élimination des matières volatiles, puis par transformation physique.
Les houilles sélectionnées pour les cokeries dites « charbons à coke », se transforment, à une certaine température, en une pâte plastique avant de se resolidifier à une température supérieure. Le coke ainsi obtenu est refroidi et criblé.
La première étape de la fabrication consiste à préparer le charbon avant son enfournement. La qualité finale du coke dépend étroitement de cette étape. Elle consiste à doser et à mélanger les différents types de charbon. Cette opération est généralement automatisée. Le mélange est ensuite broyé.
Le charbon peut être mélangé avec dufiouldans une proportion allant de 1 à 5‰en masse. Cette opération appeléefioulagepermet de diminuer legradientdedensitédans les fours de cokéfaction remplis par gravité.
Il peut aussi être ajouté de la poussière de coke (appelé poussier de coke), broyé très finement, ayant comme résultat après la cuisson, un coke plus gros en granulométrie appelécoke de fonderie. Ce procédé était employé à lacokerie de Drocourt(Pas-de-Calais,régionHauts-de-France, France).
Pour les cokes utilisés dans la sidérurgie, la pâte est enfournée dans des fours dits à chambreverticale.
Le four est constitué de deux parois (lespanneresses) debriques réfractaireset fermé à chaque extrémité par une porte. La chambre estparallélépipédiquegénéralement d’une longueur comprise entre 12 et 18m, d’une largeur comprise entre 0,4 et 0,8met d’une hauteur comprise entre 4 et 8m. Les panneresses ne sont pas parallèles, on les construit avec un léger angle d’ouverture. Cet angle a pour but de faciliter le défournement.
Le chauffage du four est assuré par despiédroitsconstitués d’une série de chambres (lescarneaux) disposées de chaque côté. Il y a un piédroit de chaque côté du four. Le système de chauffage permet d’obtenir une température de1 200à1 350°C. La voûte et la sole ne sont pas chauffées.
Les fours sont disposés en batterie de 10 à 100. Un carneau est commun à deux fours. La batterie de fours dispose d’accumulateurs de chaleur permettant de récupérer puis de restituer la chaleur résiduelle non utilisée à la sortie des carneaux.
Pour obtenir du coke métallurgique (utilisable dans leshauts-fourneaux), pour des températures de1 200à1 350°C, le temps de chauffage varie entre 16 et 20 heures.
La première machine à intervenir dans le processus de fabrication du coke est l'enfourneuse qui, par l'intermédiaire detrémies, va enfourner une certaine quantité de houille (souvent autour de 40 tonnes) à travers des bouches (appeléestampons) situées à la cime des fours.
Pendant le chauffage, la pâte à coke passe par divers stades. La première étape jusqu’à150°Cest le séchage. Elle se caractérise par l’évaporationde l’eau. Vers350°C, la pâte se ramollit et sa viscosité diminue. Elle aura une valeur minimale aux environs de450°C. Ces phénomènes s'accompagnent d’un fort gonflement de la pâte. Ensuite sa viscosité augmente et elle se resolidifie vers550°C. Au-dessus de cette température, on passe à la phase de carbonisation dusemi-coke. La pâte se contracte et il y a émission de matières volatiles qui sont récupérées.
La défourneuse pousse avec un bélier et par l'intermédiaire d'une crémaillère de plus de 10 mètres le coke chaud (environ1 000°C) vers le couloir du guide-coke. Ce guide-coke sert, par l'intermédiaire d'un couloir, à faire passer le pain de coke, pour tomber dans le wagon du coal-car (également appeléloco).
Le coal-car va ensuite dans une tour d'extinction dans laquelle le coke sera refroidi par aspersion d'eau. Ce refroidissement s’accompagne d’un fort dégagement devapeur d’eaupuisque ce sont environ 80md'eau (2md'eau sont nécessaires pour éteindre 1 tonne de coke à1 000°C) qui sont déversés en1à2minutes, le tiers environ s'échappe en vapeur.
Un autre rôle de cette extinction à l'eau est de retirer du soufre du coke, qui est un élément particulièrement gênant en métallurgie, lorsque le coke est utilisé dans les hauts fourneaux.
Le refroidissement s’accompagne d'une fragmentation en morceaux de diverses tailles. Avant son utilisation, il est criblé afin de trier les morceaux en fonction de leur taille.
La fabrication de coke s’accompagne de l’émission d’un certain nombre de matières volatiles : gaz (dihydrogène,méthaneet divers composants minoritaires comme l'acétylène, l'éthylène, les oxydes de carbone),benzèneetgoudron de houille.
À la sortie du four ces matières sont à une température d’environ800°C. Le gaz est refroidi par aspersion d’eau. Les gaz et les matières sont séparées, lavées. Elles sont ensuite valorisées soit par combustion des gaz directement dans l'usine sidérurgique soit par transformation chimique.
Le goudron est traité par distillation et traitement chimique des huiles obtenues. On peut ainsi obtenir des produits comme le benzène, letoluène, lephénol, lecrésol, lanaphtaline, etc.. Toutes ces transformations étaient à la base de lacarbochimiequi a perdu de l'importance au profit de lapétrochimieà partir desannées 1960.
La cokéfaction du charbon appelée parfois également distillation du charbon fut aussi utilisée pour la fabrication dugaz d'éclairage. Son utilisation prit de l'importance après la découverte en 1885 parCarl Auer von Welsbachdumanchon à incandescencequi permit son utilisation comme moyen d’éclairage. Son utilisation comme moyen d'éclairage disparut à la suite du développement de l'électricité.
Le coke est principalement utilisé ensidérurgiepourréduirele minerai deferdans unhaut fourneauafin d’obtenir lafontequi est ensuite transformée enacier. Il est également utilisé pour l’élaboration de la fonte encubilot, la fabrication deferroalliageset dans certainsfours à chaux.
Constitué de blocs de taille homogène capables de résister à de fortes pressions, c’est uncombustibleprésentant unpouvoir calorifiqueélevé, permettant le traitement de minerais ou de charges métalliques dans des fours verticaux de plus ou moins grandes dimensions. Son apport dans le processus comprend à la fois la réduction des oxydes, l’obtention de températures élevées et un apport en carbone.
C’est le risque de pénurie decharbon de boisqui oblige l’industrie métallurgique anglaise à rechercher une autre matière première. L’idée est d’utiliser lecharbon de terre. Or, à l’état brut celui-ci est impropre aux utilisations de cette industrie.
La date de l’invention du coke n’est pas réellement connue et l’on trouve dans la littérature diverses dates. Le grand métallurgiste allemand duXIXsiècle,Adolf Ledebur, mentionne un dépôt de brevet par l’anglaisDudd Dudleyen1619. Jacques Corbion, dans son dictionnaire sur les hauts-fourneaux précise très clairement que la date est très variable en fonction des sources. Il mentionne par exemple plusieurs dates de tentativesa priorinon couronnées de succès : 1612 (Sturtevant), 1619 (Dudley), 1631 (Buck), 1677 (Blavenstein).
Le nom et l’orthographe du coke furent longtemps variables. On trouve les noms suivants : coacks, coacs, coadks, coak, coaks, cock, cocke, coghes, cook, coque, coucke, couke, cowkes, koacks, koak, kock, koeks. Une lettre de 1738, recopiée par le chimisteJean Hellot, donne ce qui est certainement le premier récit en français de la fabrication du coke en Angleterre : "Voicy la maniere dont j'ai vu changer le charbon de terre en coucke." La première attestation de l'orthographecokese trouve dans leTraité de minéralogied'Alexandre Brongniart (vol. II,p.17) en 1807.
Le développement réel de la production de coke aura lieu à la fin duXVIIIsiècle. C’est notamment le remplacement du charbon de bois par le coke parAbraham Darbyqui lança son utilisation industrielle.
En France, c'estGabriel Jars(le jeune) qui réussit la première fonte au coke. Celle-ci est réalisée àHayangedans les grandes usines desWendelen janvier 1769.
La méthode de fabrication la plus ancienne est la combustion en meule, qui a ordinairement de1,50à2mde hauteur et contient10à30tonnesde houille.. La méthode est identique à celle de la combustion en meule pour la fabrication du charbon de bois :
— M. J. Girardin
Ce procédé, issu de la fabrication du charbon de bois ne donne pas de bons résultats et ne peut être utilisé qu’avec des morceaux de charbon de grandes dimensions. Un premier perfectionnement a consisté en l’installation d'une cheminée enbriqueau milieu de la meule. Girardin attribue cette invention au métallurgiste britannique Wilkinson.
Les producteurs utilisèrent ensuite des fours de conception simple : par exemple, le fourSchaumburgétait constitué d’un simple mur d’enceinte sans voûte. Girardin décrit un four constitué d’un simple cylindre en terre ou en fonte qui ne permet que la fabrication d’un coke à usage « domestique » et impropre aux utilisations métallurgiques.
Les besoins croissants de l’industrie métallurgique ont permis un perfectionnement des fours. Ces fours améliorés sont pourvus de chambres étroites, chauffées de l’extérieur, par les gaz qui se dégagent de la carbonisation et qui sont brulés dans les carmeaux constituant le système de chauffage. On remarquera que ces caractéristiques sont celles du four actuel décrit dans cet article.
À partir de ces caractéristiques plusieurs conceptions ont vu le jour :
Johann Joachim Becherdans son ouvrageNärrische Weißheit Und Weise Narrheitde 1682, aurait été le premier à proposer la fabrication degoudron de houillesur le modèle employé par les Suédois pour obtenir legoudron de pin. Il signale que le charbon obtenu après extraction du goudron est utilisable; le goudron de houille aurait par ailleurs été fabriqué pendant de nombreuses années dans laPrincipauté de Liègeet dans d'autres parties de l'Empire germanique; le charbon était distillé dans une enceinte en fonte d'acier. Le Numéro 228 desPhilosophical Transactions(vol. XIX,p.544), publié enmai 1697, contient un «Account of the making (of) pitch, tar, and oil out of a blackish stone in Shropshire, communicated by Mr. Martin Ele, the inventor of it». Le minéral utilisé est décrit comme une roche noirâtre et poreuse, recouvrant les couches de charbon, àBroseley,Bentley,Pitchford,etc.et la partie bitumineuse a été séparée en cassant la roche en poudre et en la faisant bouillir avec de l'eau. Legoudron, jusque là dugoudron de pinétait un matériau stratégique employé dans lecalfatagedes navires de toutes les marines d'Europe. Le marché était historiquement détenu par laSuède. Une politique mercantile agressive de la Suède visant à imposer laCompagnie suédoise pour le commerce du goudroncomme seule compagnie habilitée à distribuer le goudron suédois oblige alors l’Angleterre à se fournir dans ses colonies d'Amérique. Il est probable que laGuerre d'indépendance des États-Unisen interrompant le commerce entre l'Angleterre et l'Amérique du Nord, a rétabli la difficulté antérieure concernant l'approvisionnement en goudron, et a conduit à l'établissement de la fabrication de goudron à partir du charbon.
Des perfectionnements importants dans la récupération des sous-produits (goudron,ammoniac) sont attribués à François Carvès en1867qui fit une installation d'un certain type de four àSaint-Étienne.