CHAPITRE XXI THÉORIE DE U GARBOITISATIOI

Nature des charboas. — Influence des ceodres sur la carbonisation. — Grain da charbon. — Mélange des charbons. — Rendement en coke. — Influence dn choix des fours. — Marche de la carbonisation. — Produits de la carbonisation dans las divers fours.

Nature des charbone. — Tous les charbons De sont pas également bons pour donner du coke, et, dans Téchelle de classification (jue nous avons donnée au chapitre Définition et classification de la HOUILLE, ce sont les qualités placées au milieu de Téchelle qui sont les plus cokéfîantes. Nous avons parlé aussi, au chapitre Essais bt ANALYSE DE LA HOUILLE, des qualités agglomérantes des diverses houilles.

Il ne faut pas. croire que ce soient les hautes teneurs en carbone qui influent sur la fusibilité de la houille et qui la rendent propre à la carbonisation. Les proportions d'oxygène et d'hydrogène jouent un rôle plus actif; mais il ne faut pas que ces proportions soient trop fortes ou trop faibles. Les charbons flambants, très riches en matières volatiles, ne s'agglomèrent pas. Il en est de même des charbons maigres et des anthracites. Il est, au contraire, prouvé que les meil* leurs charbons à coke sont ceux qui contiennent:

Hydrogène 5 à 6 0/0

Oxygène 10 0/0

Hydrogène libre 4 —

Industriellement et pratiquement, on en est arrivé à caractériser du nom de charbons à coke les houilles à 18 ou 20 0/0 de matières volatiles.

Toutefois, comme nous Tavons dit, cette règle n*est pas sans exception, et certains charbons qui n'appartiennent pas à cette caté-

THÉORIE DE IJl CARBONISATION 45»

gorie peuvent donner un bon coke. On en a cherché Texplica lion dans un état atomique particulier où serait le carbone et qui, s'il est réalisé, peut donner du coke.

Une autre influence, qui est certainement plus grande, est celle de la manière dont se présentent les couches. Des charbons de formation géologique ancienne, à puissant recouvrement, conviennent mieux pour la carbonisation que les charbons de formation plus récente et à épaisseur faible de recouvrement. Des expériences ont été faites à ce sujet dans les bassins de la Saar et de la Ruhr en Allemagne.

Enfin, certains charbons peuvent perdre leurs propriétés cokéfiantes, s'ils ne sont pas soumis à la carbonisation sitôt après leur sortie de la mine, à cause d'une certaine décomposition à Pair. Il y aurait perte en hydrogène, surtout en hydrogène libre et fixation d'une plus grande quantité d'oxygène. La décomposition est d'autant plus active que les charbons sont plus fins, car ils présentent alors à l'oxygène de l'air une plus grande surface d'action. Nous renvoyons de nouveau aux études de M. Fayol sur la combustion spontanée (Voir page 12).

Influence des cendres sur la carbonisation. — Un charbon très cendreux doit être soumis à une préparation mécanique, sinon, après carbonisation, on retrouverait dans le coke la plus grande partie des cendres du charbon. En outre, ces cendres peuvent entraver la carbonisation à cause de leur teneur en silice ou en fer, éléments dont le point de fusion est élevé. Au contraire, la chaux, qui fond à plus basse température, facilitera la fusion et rendra le coke plus compact.

On lave donc les combustibles avant de les passer au four et l'on peut ainsi séparer une faible partie de la pyrite contenue. Toutefois, on n'arrive jamais à expulser complètement certaines matières organiques qui sont incorporées à la houille ou même certains schistes noirs qui lui sont intimement mélangés.

Si le charbon est très peu cendreux, il n'y a pas intérêt à le laver, surtout en raison de ce fait qu'on ajoutera toujours au charbon une certaine quantité d'humidité qui pourra gêner la carbonisation. En Amérique, dans le district de Connelsville (Pennsylvanie) et dans la Virginie occidentale, on emploie des charbons à 5 0/0 de cendres qu'on a renoncé à laver, d'autant plus que ce lavage occasionnerait souvent une perte de matières charbonneuses, et un changement dans rétat physique du combustible.

Grain du charbon. — Le grain auquel on broie, en général, le charbon avant carbonisation est un grain de 4 millimètres.

Plus le grain du charbon est lin, plus le coke est compact et plus la perle de combustible est faible. Plus les morceaux se rapprochent les uns des autres, plus ils sont petits et serrés, mieux ils se carbonisent. 11 ne faut toutefois pas tomber dans un trop grand excès et employer à la carbonisation des schlamms qui donneraient un coke compact, mais inutilisable en métallurgie.

11 est bon parfois de mélanger une certaine proportion de gros. Tout dépend du modèle de four adopté. C'est ainsi qu'en Angleterre, avec des fours à ruche, on fait un bon coke avec des grains qui ont jusqu'à 9 millimètres et demi de grosseur.

Mélange des charbons. — En général, on mélange entre elles plusieurs qualités de charbons.

Dans les fours Coppée, on mélange 75 0/0 de houille grasse et 25 0/0 de houille maigre, ce qui donne un très beau coke. Au charbonnage du Phœnix (Allemagne), on emploie un mélange de 73 à 77 0/0 de charbon à 25 ou 26 0/0 de matières volatiles et de 23 à 27 0/0 de charbon maigre, à 7 ou 8 0/0 de matières volatiles. A l'usine Georg Marienhûtte, près d'Osnabrûck, on ajoute 25 0/0 d'anthracite de Piesberg. Dans le Pays de Galles, on fait du coke avec 60 parties d'anthracite, 35 parties de charbon bitumineux et 5 parties de brai. Les usines Landore, en Pennsylvanie, obtiennent également avec moitié d'anthracite et moitié de houille anthraciteuse un coke utilisable au haut fourneau.

L'avantage qu'on trouve à mélanger du charbon maigre au charbon gras, est d'augmenter le rendement en coke. On a vu, en effet, au chapitre Définition de là houille que les houilles maigres et les anthracites donnaient jusqu'à 85 et 90 0/0 de coke. De plus, le coke obtenu avec une houille maigre contiendra plus d'acide carbonique, ce qui est un avantage pour la métallurgie, tandis que le charbon à gaz donne un coke contenant de l'oxyde de carbone.

Pendant la carbonisation, les charbons riches en gaz qui se carbonisent facilement, produisent, par suite de leur tendance à gonfler brusquement, un coke poreux, léger et ayant peu de cohésion, tandis que les charbons pauvres en gaz donnent un coke compact et dense. Pour que l'opération réussisse bien, il faut que le mélange soit bien fait. Les charbons à gaz, s'ils étaient seuls, ne donneraient.

en effet, du coke que s'ils étaient comprimés, et les anthracites fourniraient un coke pulvérulent inutilisable.

Rendement en coke. — Relativement aux quantités de coke que fournissent les diverses houilles, il importe de ne pas oublier que les essais en petit, dans des creusets fermés, où Ton est maître de l'accès de l'air et de la température, donnent toujours un rendement plus élevé que le travail en grand. Nous indiquons ci-après, pour les principales espèces de houille, les rendements de coke qu'on peut obtenir.

leadeBCBtO/O eo coke.

Pays de Galles 58 à 83

Houilles anglaises. J^^^^^^^*^^ ^2 à 62

^ ISewcaslle 51 à 63

Ecosse 43 à 56

Mons, fléiius secs 63 à 67

— flénus gras 68 à 71

— fines forges 74 à 81

Houilles belges { ^^°^^^®' *^^"'"^^ S^'^^^^^ • • • • • ^0 à 84

' — houilles demi-grasses 77 à 85

Charleroi, houilles grasses 79 à 84

— houilles demi-grasses 85 à 89

— houilles maigres 87 à 92

Bassin de Valenciennes, houilles grasses. 66 à 75

— houilles grasses maréchales. 75 à 79

— houilles demi-grasses 75 à 88

— houilles maigres 89 à 93

Houilles françaises./ »^^° du Pas-de-Calais 62 à 90

^ Houilles d Alais 78

— de Decazeville 60

— de Blanzy 56

— de Commentry 62

— de Rive-de-Gier 65 à 76

Houilles de Prusse.. Bassin de la Saar ;...., 57 à 69

La proportion du résidu, même quand on part de houilles lavées, est extrêmement variable. La quantité de coke produite, qui reste comprise, en moyenne, entre 60 et 70 0/0, descend, pour certaines variétés (houilles du Lancashire), à 52 0/0, tandis que, dans d'autres (houilles de Mons et de Valenciennes), elle dépasse 80 0/0. Même pour une seule variété commerciale, les essais donnent, quand on les répète, des quantités de coke différentes. Généralement les écarts ne sont que de 2 à 4 0/0; mais il arrive souvent qu'ils atteignent 4 à 6 0/0, quelquefois 10 à 16 0/0, et, dans certains cas

exceptionnels, jusqu'à 23 et 25 0/0. Ces variations s^expliqaent tout naturellement par ce fait que les houilles, de même provenance et de même désignation marchande, peuvent être de nature et de constitution variables.

En thèse générale, le rendement en coke dépend de trois facteurs : la quantité d'oxygène et d'hydrogène du combustible, la proportion d'humidité, la teneur en cendres.

Pour transformer 1 atome de carbone Cou imparties en poids en acide carbonique CO^, il faut 2 atomes d'oxygène O ou 32 parties en poids. Pour transformer la même quantité de carbone C en méthane CH^, il faut 4 atomes d'hydrogène H ou 4 parties en poids. L'hydrogène peut donc volatiliser une quantité quatre fois plus grande de carbone que l'oxygène.

Une trop grande quantité d'hydrogène est ainsi défavorable an point de vue du rendement en coke. Suivant que cet hydrogène sera combiné ou libre, il pourra y avoir, à teneur moyenne égale, des variations, le rendement ayant tendance à diminuer, par exemple, si la quantité d'hydrogène combiné est plus grande et si celle d'hydrogène libre est plus petite.

En très grande quantité, l'oxygène diminue aussi le rendement en coke, en ce sens qu'il gêne la régularité de la marche de la carbonisation. Il y a un dégagement tumultueux de gaz et de fumée.

Une trop grande teneur en eau hygroscopique diminue le rendement en coke. La formation de vapeur d'eau dans le four absorbe d'importantes quantités de chaleur, de sorte que le dégagement des gaz est retardé.

Parfois, toutefois, un peu d'eau dans le charbon convient mieux qu'une parfaite sîccité, car cette eau permet aux particules charbonneuses de fondre plus compactes et mieux serrées les unes contre les autres, de manière à fournir un meilleur coke.

Une teneur élevée en cendres augmente le rendement en coke, mais le coke obtenu est de moins bonne qualité.

Influence du choix des fours. — Le choix des fours a une influence sur le rendement en coke. Dans les uns, on cuira rapidement; dans les autres, au contraire, l'opération sera très lente. Le choix d'un four dépend essentiellement de la nature et de la qualité des charbons à cokéfier. Suivant que dans un même four on cuira des qualités de charbon diverses, on obtiendra un rendement très différent, favorable ou défavorable.

La différence de rendement du four provient de la perte en carbone résultant de rentrée de Taîr pendant la carbonisation, de la façon de charger le four, de la fermeture défectueuse des portes, de la marche de la carbonisation.

Pendant le chargement du four comme lors de Touverture des portes, il s'introduit beaucoup d'air froid et il en résulte une perte de carbone. Il y a aussi une diminution de la température des flammes et, par suite, une perte de la chaleur qui devra cokéiier les matières charbonneuses. La fumée qui s'échappe contient non point de l'acide carbonique, mais de l'oxyde de carbone, ce qui prouve Tinsuffisance de la combustion.

Plus on évite les entrées d'air, meilleur est le rendement. C'est bien pour cela que les fours à récupération sont ceux dont le rendement se rapproche le plus du rendement théorique, parce que les fours sont fermés de tous côtés par un lutage parfait.

Si la charge est régulièrement étendue dans le four, on n'a pas besoin de prolonger la carbonisation et le rendement en coke est plus élevé.

Si les parois d'un four nouvellement chargé sont portées immédiatement à très haute température, les gaz s'échappent tumultueusement et trop rapidement sans restituer à la masse de charbon une partie de la chaleur qu'ils emportent. II faut alors augmenter la quantité d'air admise par les ouvraux, et cette quantité d'air supplémentaire diminue le rendement en coke ; au lieu de cet excès de pression, une légère dépression comme dans les fours à récupération est préférable.

En général, on augmentera le rendement en coke dans les fours en adoptant une marche de carbonisation telle que le défoumement et l'extinction du coke soient aussi rapides que possible.

Marche de la carbonisation. — Pour effectuer la carbonisation du charbon, il faut introduire une certaine quantité d'air qui brûlera les gaz produits par la combustion. La combustion sera d'autant plus complète que l'air aura été porté à une température plus élevée.

La carbonisation commence sur les parois du four après enfournement de la charge. La masse de charbon qui se trouve ainsi en contact avec les parois chauffées forme une croûte à partir de laquelle la combustion se poursuit vers l'intérieur. La croûte s'épaissit de plus en plus, tandis que le dégagement des gaz, qui était très vif au début, se ralentit progressivement.

464 COMBUSTIBLES 1NDUSTRIEI.S

Pendant la carbonisation, Teau contenue dans le charbon ne s'élimine que progressivement et non point au début même de l'opération. La première partie de F eau se combine avec la plus grande partie de Toxygène avant le rouge cerise ; les parties extérieures de la masse sont déjà au rouge clair. L'eau se décompose et, en traversant les couches incandescentes, elle donne de Tbydrogène, de Tacide carbonique et de Toxyde de carbone.

Le dégagement des gaz qui commence déjà vers 100* est d'abord tumultueux puis se régularise peu à peu.

Vers 500* ou 600*, l'hydrogène libre forme avec le carbone du méthane, de l'acétylène et un produit goudronneux liquide. Puis ces éléments se combinent de nouveau et donnent des produits qui se volatilisent immédiatement.

Le point maximum de dégagement est à environ 1.400*. La température redescend ensuite à 800* avec diminution dans la production des gaz.

La nature des gaz produits dépend de la composition du charbon. Les matières organiques qui seront mélangées au charbon donneront des combinaisons nouvelles. Plus le charbon contiendra d'hydrogène, et moins il aura d'oxygène, plus nombreux seront les produits hydrocarbures et plus la température de carbonisation augmentera.

A température élevée, les hydrocarbures se décomposent et donnent du carbone, conformément à la formule suivante :