Construire un four à coke
En une phrase
Le coke est le charbon de terre cuit à l’abri de l’air, qui brûle plus chaud et plus proprement que la houille brute — la clé de passage pour produire de l’acier en grande quantité.
Qu’est-ce que c’est ?
Le coke est à la houille (charbon de terre) ce que le charbon de bois est au bois : un combustible purifié par pyrolyse. Quand on chauffe la houille en l’absence d’oxygène, les impuretés gazeuses et les matières volatiles s’évaporent, ne laissant qu’un carbone presque pur, poreux et brûlant à très haute température.
Le coke est indispensable pour :
- Les hauts-fourneaux : la production d’acier en grande quantité nécessite un combustible qui atteint des températures plus élevées que le charbon de bois. Le coke atteint 1500 degres et plus.
- Les forges : le coke brûle plus régulièrement et plus proprement que le charbon de terre, sans encrasser le métal de soufre et de cendres.
- La fonderie : les pièces moulées de grande taille exigent un combustible puissant et constant.
La différence entre la houille et le coke est considérable :
- Houille brute : contient 30 à 40 pourcent de matières volatiles, du soufre, de l’eau et des cendres. Fumée noire, odeur forte, encrassement.
- Coke : contient moins de 5 pourcent de matières volatiles, très peu de soufre, presque pas de cendres. Flamme chaude et régulière, peu de fumée.
Comment trouver la houille
La houille (charbon de terre) se trouve dans les couches sédimentaires profondes. Les signes de présence de houille :
- Affleurements noirs : roches noires et brillantes qui se délitent en feuillets, visibles dans les coupes de terrain, les berges de rivière et les falaises.
- Sol noir et gras : les sols au-dessus des couches de houille sont souvent sombres, gras au toucher et tachent les mains.
- Plantes fossiles : les couches de houille contiennent souvent des empreintes de fougères et de végétaux anciens.
- Émanations de gaz : dans les zones houillères, le sol peut émaner un odeur de soufre ou de méthane.
- Anciennes mines : les puits et galeries abandonnées signalent la présence de houille.
Pour extraire la houille en surface :
- Suivre les affleurements et creuser avec une pioche et une pelle.
- La houille de surface est souvent de qualité inférieure (plus oxydée, plus humide) mais utilisable.
- Pour les gisements plus profonds, il faut creuser des puits et des galeries — une entreprise majeure nécessitant des outils en fer et des connaissances en étayage.
Étapes détaillées
Étape 1 : Construire le four à coke
Le four à coke est une chambre fermée en maçonnerie réfractaire où la houille est chauffée sans accès d’air. Il existe plusieurs tailles et formes.
Four à coke en meules (la méthode la plus simple) :
Cette méthode ancienne ne nécessite pas de construction permanente.
- Choisir un emplacement plat et sec, en extérieur, loin de toute habitation (les fumées sont toxiques et nauséabondes).
- Préparer le sol : niveler une surface circulaire de 3 à 4 mètres de diamètre. Tasser la terre ferme.
- Creuser un canal central de 30 centimètres de large et 30 centimètres de profondeur, traversant le cercle de part en part. Ce canal servira de conduit d’allumage et de tirage.
- Empiler la houille en forme de dôme ou de cône sur la surface, autour du canal central. Commencer par les plus gros morceaux au centre, puis remplir avec des morceaux plus petits vers l’extérieur. Hauteur : 1,5 à 2 mètres. Quantité : 2 à 5 tonnes de houille.
- Couvrir la meule : recouvrir entièrement la meule de houille avec un mélange de terre argileuse et de cendres de houille, en couches successives de 5 à 10 centimètres. Cette couverture est essentielle — elle empêche l’air de pénétrer et la houille de brûler. Laisser des évents (trous de 5 centimètres) au sommet et à la base pour les gaz.
- Allumer : placer des braises dans le canal central. La houille s’allume et commence à distiller. La combustion se propage de l’intérieur vers l’extérieur à travers la masse de houille.
Four à coke en maçonnerie (méthode avancée et plus efficace) :
Pour une production régulière, un four en maçonnerie est préférable.
- Construire les murs en briques réfractaires (voir Fabriquer des briques et Fabriquer du ciment et du mortier) scellées au mortier réfractaire. Dimensions : 2 mètres de large, 3 mètres de long, 2 mètres de haut. L’épaisseur des murs est de 30 à 40 centimètres.
- Le sol du four est une sole en briques réfractaires avec des fentes pour laisser passer l’air sous la charge.
- La porte de chargement est une ouverture de 60 x 80 centimètres sur le dessus du four, fermée par une plaque en fer ou en pierre pendant la cuisson.
- La porte de vidange est une ouverture de 50 x 50 centimètres à la base du four pour récupérer le coke cuit.
- Les conduits d’air sont des fentes ou des trous à la base des murs pour contrôler l’entrée d’air pendant l’allumage, puis les obturer pour la pyrolyse.
- Le conduit de gaz au sommet du four évacue les gaz volatils. Ces gaz peuvent être récupérés et brûlés pour chauffer le four lui-même (auto-chauffage) ou pour d’autres usages. Voir la section sur les sous-produits.
Étape 2 : Charger et cuire
- Charger la houille : remplir le four de morceaux de houille de 5 à 15 centimètres. Les morceaux trop fins bouchent la circulation des gaz. Les morceaux trop gros ne cuisent pas uniformément. Trier la houille avant chargement.
- Sceller le four : fermer la porte de chargement avec la plaque de fer ou de pierre. Sceller les joints avec de l’argile réfractaire.
- Allumer : introduire des braises par la porte de vidange ou par un conduit d’allumage. Chauffer doucement pendant 1 à 2 heures.
- Monter en température : quand la houille commence à émettre des gaz (fumée jaune et odeur de soufre), réduire progressivement l’entrée d’air. Le processus de pyrolyse commence vers 400 degres. Les gaz volatils qui s’échappent sont inflammables — si on les allume, ils fournissent la chaleur pour continuer la cuisson.
- Maintenir la cuisson : la température monte progressivement vers 900 à 1100 degres. La cuisson dure 12 à 48 heures selon la taille du four et la qualité de la houille. Les gaz s’échappent par le conduit au sommet. Quand les gaz cessent de sortir (plus de fumée jaune, plus d’odeur de soufre), la cuisson est terminée.
- Refroidir : fermer tous les conduits d’air. Laisser le four refroidir lentement pendant 24 à 48 heures. Ne jamais ouvrir le four pendant que le coke est encore chaud — l’oxygène ferait prendre feu au coke incandescent et le détruirait. Le refroidissement doit se faire à l’abri de l’air.
Étape 3 : Récupérer le coke
- Ouvrir la porte de vidange quand le four est complètement refroidi.
- Extraire le coke avec des pinces en fer et une pelle. Le coke est gris argenté, poreux et léger. Il se casse en morceaux anguleux avec des arêtes tranchantes.
- Trier : enlever les morceaux partiellement cuits (encore noirs et denses) et les remettre dans le prochain lot. Les morceaux bien cuits sonnent clair quand on les frappe. Les morceaux mal cuits sonnent sourd.
- Stocker le coke dans un endroit sec et à l’abri de l’air. Le coke absorbe l’humidité mais moins que le charbon de bois.
Étape 4 : Récupérer les sous-produits
La distillation de la houille produit de nombreux sous-produits précieux :
- Gaz de houille : un mélange de méthane, hydrogène et monoxyde de carbone. Brûlé pour chauffer le four ou pour l’éclairage. Si on le dirige dans un tuyau, il peut alimenter des brûleurs.
- Goudron de houille : un liquide noir et visqueux qui condense dans les conduits de gaz. Plus complexe et plus toxique que le goudron de bois (voir Fabriquer de la poix et du goudron de bois). Utile comme enduit protecteur pour le bois et le métal.
- Ammoniac : un gaz qui se dissout dans l’eau de condensation pour former de l’eau ammoniacale. Utilisé comme nettoyant, réactif chimique et engrais azoté (voir Régénérer les sols et fabriquer des engrais).
- Benzol : un liquide volatil et toxique qui condense à basse température. Solvant puissant mais dangereux.
Variations par climat
- En climat tempéré : les gisements de houille sont abondants dans les bassins sédimentaires d’Europe du Nord, d’Amérique du Nord et d’Asie. Le climat humide ne gêne pas la cuisson si le four est couvert.
- En climat tropical : la houille est moins commune dans les zones tropicales. Les gisements existent en Australie, en Afrique du Sud et en Indonésie. La chaleur ambiante réduit la quantité de combustible nécessaire pour chauffer le four.
- En climat désertique : les gisements de houille sont rares mais existent (Sahara, déserts d’Asie centrale). Le climat sec est favorable pour le séchage du coke mais le sable peut contaminer la houille.
- En climat froid : la houille est abondante dans les régions froides (Sibérie, Canada, Scandinavie). Le froid peut crack les fours en maçonnerie si l’eau gèle dans les joints. Protéger le four du gel pendant la construction.
Pièges et erreurs courantes
- Le coke s’enflamme à l’ouverture : si on ouvre le four pendant que le coke est encore chaud, l’oxygène fait prendre feu au coke incandescent. Toujours laisser refroidir complètement avant d’ouvrir. Si le coke s’enflamme accidentellement, l’étouffer avec du sable ou de la terre en fermant les évents.
- Houille trop humide : la houille humide produit du coke de mauvaise qualité et consomme plus d’énergie pour évaporer l’eau. Sécher la houille au soleil pendant plusieurs jours avant la cuisson.
- Four non étanche : les fuites d’air dans le four provoquent la combustion du coke au lieu de sa pyrolyse. Sceller soigneusement tous les joints avec de l’argile réfractaire.
- Coke de mauvaise qualité : si la température n’atteint pas 900 degres, le coke est partiellement cuit (semicoke) et ne brûle pas correctement. Augmenter la durée ou la température de cuisson.
- Fumées toxiques : les gaz de houille contiennent du monoxyde de carbone, du soufre et des composés organiques toxiques. Ne jamais travailler dans un espace clos. Toujours installer le four en extérieur.
- Explosion de gaz : les gaz de houille sont inflammables et explosifs en concentration. Ne jamais allumer une flamme près du conduit de gaz. Évacuer les gaz à l’air libre ou les brûler dans un brûleur contrôlé.
Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer
- Produire de l’acier — le coke est le combustible indispensable pour les hauts-fourneaux
- Construire un moteur à vapeur — le coke alimente les chaudières à vapeur plus efficacement que le charbon de bois
- Production de gaz de houille pour l’éclairage et le chauffage
- Goudron de houille pour enduits protecteurs et étanchéification
- Ammoniac pour les engrais et les réactifs chimiques
Notes
- Le coke a révolutionné la métallurgie au 18e siècle en Angleterre. Avant le coke, le charbon de bois limitait la production d’acier. Le coke a permis les hauts-fourneaux géants de la révolution industrielle.
- Le coke est plus léger que la houille (le coke poreux flotte sur l’eau, la houille coule). C’est un test rapide pour distinguer les deux.
- Le coke de bonne qualité sonne comme du verre quand on le frappe. Le coke mal cuit sonne sourd.
- Un lot de 5 tonnes de houille produit environ 3 à 3,5 tonnes de coke, 150 litres de goudron de houille, 20 litres de benzol et des milliers de litres de gaz de houille.
- Le coke est beaucoup moins polluant que la houile brute quand il brûle — il dégage très peu de fumée et d’odeur.
Ressources externes
- Survivor Library — manuels historiques de cokéfaction et de métallurgie (catégories « Coal » et « Metallurgy »)
- Open Source Ecology — GVCS — plans de fours à coke et de hauts-fourneaux open source
- Appropedia — tutoriels de pyrolyse et de production de combustibles solides
- GNU Octave — calculs de thermodynamique pour dimensionner les fours à coke