Définition, fabrication et propriétés

Le coke est un solide à haute teneur en carbone, de structure non graphitique. Il est produit par pyrolyse d’un matériau organique (charbon, houille). Durant cette étape de carbonisation, le matériau subit, au moins en partie, une fusion : il passe au stade plastique (état liquide ou cristal liquide). Ce passage au stade plastique le différencie des carbonisats, résidus solide de pyrolyse. Cette distillation du matériau permet d’éliminer les composés gazeux et fluides emprisonnés dans la structure.

La fabrication du coke se fait en vase clos à 1 200-1 350°C dans de nombreux fours immenses : on peut voir des cokerie de 25 à 60 fours de dimension 12-15 m de long, 4-8 m de haut et 0,5 m de large. Une fois l’opération de cokéfaction commencée, le four ne peut être arrêté durant la durée du traitement thermique (15 à 20 heures). Le coke obtenu est refroidi par aspersion d’eau ou sous flux de gaz inerte.

Le carbone non graphitique obtenu est de type graphitable (carbone tendre), c’est-à-dire, que sa structure cristallographique évolue progressivement vers celle du graphite hexagonal parfait par un traitement à haute température. D’un point de vue structural, le terme coke caractérise donc l’état de carbone graphitable avant le début de la graphitisation.

La teneur en carbone des cokes obtenus à 1000°C varie de 95 à 99 % selon les composés organiques précurseurs. Les teneurs les plus faibles correspondent généralement à des précurseurs riches en oxygène ou en soufre. Le coke peut contenir de la matière minérale (silice, oxyde de fer, oxyde d’aluminium, oxyde de calcium…) selon la composition des matériaux d’origine.

Les sous produits de sa fabrication servent de matières premières à la carbochimie : benzols, gaz, goudrons, sulfate d’ammonium…

La production de coke (400 millions de tonne par an dans le monde) se fait en cokeries sidérurgiques (attachées à des complexes métallurgiques), en cokeries minières (sur sites d’extraction de charbon) ou en cokeries indépendantes. Nous pouvons citer quelques cokeries en France : Carling, Drocourt, Sollac, Lorfonte…

Applications

Le coke est essentiellement utilisé en sidérurgie où il remplit trois rôles principaux dans le haut-fourneau :
- il favorise la circulation des gaz montants (rôle perméabilisant),
- il fournit la chaleur nécessaire à la poursuite de la réaction,
- il assure la réduction des oxydes et la carburation du fer.

Pour être un bon perméabilisant, en particulier en bas du haut-fourneau où le minerai devient visqueux, le coke doit être d’un calibre homogène, léger, non fusible et mécaniquement résistant à la compression. En outre, sa teneur en soufre doit être faible pour ne pas polluer la fonte et un taux bas en phosphore et métaux alcalins garantit un bon fonctionnement du haut-fourneau et une bonne qualité de fonte. Il doit présenter une réactivité suffisante avec le dioxyde de carbone pour pré-réduire au maximum les oxydes de fer.

L’électrométallurgie (ferro-silicium, ferro-manganèse, ferro-chrome, carbure de calcium…) consomme de grande quantité de coke pour la réduction des oxydes par le carbone.

D’autres industries utilisent du coke : c’est la cas de la production de chaux et de gaz carbonique associé qui sont les bases de la fabrication de sucre à partir de betteraves et de la chimie du carbonate de soude. Dans ce cas, un taux bas de cendres et en soufre est exigé.

Divers types de coke

Coke de pétrole :
Il s’agit d’un sous-produit solide noir après craquage et carbonisation du résidu sous vide de goudrons, brais ou pétrole. C’est une substance solide, plus dure que le charbon, composée essentiellement de carbone (90 à 95 %) et généralement de 2 à 10 % de soufre. Il peut comprendre de 5 à 15 % de matières volatiles et est généralement pauvre en cendres.
Il peut être utilisé comme combustible industriel (PCI de 29 000 à 36 000 kJ.kg^-1), par exemple en cimenterie, comme charge dans les cokeries sidérurgiques et pour la fabrication d’électrodes.

Cette appellation recouvre également le « coke de catalyse », qui se dépose sur le catalyseur pendant les opérations de raffinage ; ce coke n’est pas récupérable et est généralement brûlé comme combustible dans les raffineries.

Coke cru ou coke vert :
Le coke vert est le produit solide primaire issu de la carbonisation de fractions d’hydrocarbures à haut point d’ébullition, à une température inférieure à 630°C
Il contient des composés volatils (4 et 15 %) emprisonnés dans la structure selon la vitesse de chauffage. Ces molécules peuvent être relarguées lors d’un traitement thermique ultérieur jusqu’à environ 1300°C.

Coke de four :
C’est un produit solide obtenu par carbonisation de charbon, principalement le charbon à coke, à une température élevée. Le coke de four est également connu sous le nom de coke métallurgique et est utilisé principalement dans l’industrie sidérurgique.

Semi coke :
Le semi-coke est un coke de four, solidifié entre le début de la fusion du charbon (environ 350°C) et la complète dévolatilisation des composés volatils (500-600°C).
Il est utilisé comme combustible domestique.

Coke de gaz :
C’est un sous-produit de l’utilisation du charbon pour la production de gaz manufacturé ou gaz de ville dans les usines à gaz. Le coke de gaz est essentiellement utilisé comme combustible domestique.

Coke de lignite :
Il s’agit d’un produit solide obtenu par carbonisation de briquettes de lignite.

Bibliographie

Les mots de la combustion, http://www.gfcombustion.asso.fr/glossaire.php ?langue=fr&lettre=C&choix=36 (21/07/2006).

Données Carbone, Société Française de Chimie, http://www.sfc.fr/Donnees/mine/carbone/texcarb.htm (01/08/2006).

Les usages et les produits, Cokes de Carling, www.cokesdecarling.com/fr/usages/index.html (10/07/2006).

Elaboration du métal primaire, Coke métallurgique, J. M. Duchêne, D. Isler, E. Yax, Techniques de l’ingénieur, M7340.