化工先驅 煤炭替代木材，催生了各個方面的變革

都鐸王朝伊麗莎白一世在位期間 英國逐步從封建王國走向近代強國 軍事上擊敗西班牙，文化上孕育莎士比亞 經濟上推行重商主義 鑄就了英國的黃金時代 繁榮之下也有隱憂 造船業快速消耗着木材，森林面臨枯竭 17世紀中期英國木材價格暴漲7倍，嚴重製約經濟發展 當時學者約翰· 伊夫林警告，若無替代燃料，英格蘭將淪爲不毛之地 好在英國有優質煤礦，很多煤礦埋藏淺 可以露天開採，簡直是老天賞飯吃 一場由木到煤的能源革命就此發生了 燒水做飯，燒海水製鹽，熬製明礬，燒製石灰 和磚塊等行業比較簡單，可以直接換成煤 有些行業就需要改進工藝 17世紀初人們設計了新的熔爐和密閉乾鍋 隔離煤煙，減少雜質混入 成功解決了玻璃業的用煤問題 鼓舞人們去探尋煤的更多用途 人們開始把目光投向冶鐵 它和造船業最消耗木材 參與海上爭霸 大肆造船的荷蘭也面臨着森林枯竭 1612年荷蘭西蒙斯蒂文發表了《冶鐵專著》 聲稱解決了用煤鍊鐵的技術問題，但沒有得到重視 在東方，中國宋代大規模用煤鍊鐵 但煤中的硫元素會嚴重降低鋼鐵質量 民用尚可，軍用就不行了 宋代兵器寬大，鏽蝕快，火炮很容易炸膛 歐洲的冶鐵主要是軍用 這種鋼鐵太脆，是沒法派上用場的 突破來自於啤酒釀造產業 麥芽的烘乾是其中的必要工序 燒煤來烘乾，啤酒裏會有煤的怪味，令人難以下嚥 1603年普拉特爵士提出，像做木炭一樣 將煤乾餾去除雜質，焦炭就此誕生 由於此項發明，在17世紀中期，德比郡的啤酒口感純正清澈 在英格蘭聞名遐邇在此基礎上 亞伯拉罕達比最終解決了問題 他曾在伯明翰的麥芽糖廠當學徒 熟悉焦炭生產工藝，後來轉向鐵器鑄造 1708年他開始實驗用焦炭鍊鐵，通過乾餾煙煤 獲得硫含量很低的焦炭，成爲冶鐵的理想燃料 他還改進高爐，測試風壓和燃料配比，歷經數百次失敗 終於成功煉出生鐵，比木炭鍊鐵成本降低一半 它具有劃時代意義，歐洲跳過了用煤鍊鐵的階段 東方卻在這個坑裏耽誤了幾百年 冶鐵業擺脫了對森林的依賴，轉向煤礦產區 40年後，英國生鐵產量超越瑞典，名列歐洲第一 到1800年英國生鐵產量達25萬噸 奠定了工業革命的堅實基礎 面對發展迅速的採煤業和紡織業，交通運輸業亟待升級 1761年布里奇沃特運河竣工 工程師詹姆斯布林德利首創等高線挖掘法 每公里僅落差30釐米，使運河能適應更廣泛的區域 更為革命性的是渡槽的發明，它是石砌的立交水道 貨船可以交叉通行，實現不間斷通航 在貴族地主和工商業巨頭的推動下，英國開始大規模建設運河 至1830年英國運河網總長達到了6500公里 運煤成本降低至陸運的十分之一 連接煤礦和運河 的是馬拉礦車 1789年威廉傑索普鋪設首條鑄鐵軌道 效率提升至每日運輸150噸煤 這個運河加軌道馬車的運輸體系 一直使用到19世紀中葉被火車所替代 地表的煤早已採完 礦井越來越深，又出現排水需求 這是老問題了 在中世紀歐洲遍佈礦井，開採銀礦銅礦和鐵礦 以及鉛礦鋅礦等，也包括硫磺和硃砂 早期人們用阿基米德抽水機或腳踏水輪逐級抽水 1556年出版的著作《論冶金》記載有水車驅動的鏈筒 更深的礦井由水車和連桿驅動多級水泵提升 人力操作的有鉸鏈式水泵，用皮革球做單向活塞 還有水車驅動的通風系統等 它覆蓋了採礦選礦冶煉等各個環節 成爲歐洲200多年的採礦教科書 作者阿格里科拉被譽爲採礦業之父 英國地下水位高，滲水更嚴重 煤礦主被迫僱傭很多工人來排水 費用高到無利可圖時，礦井就廢棄了 紐科門蒸汽機出現於1712年 通過噴射冷水形成真空驅動活塞 雖然熱效率低，但也遠超人工 單日排水量達300噸，是人工的20倍 至1775年，英國已有600多臺紐科門蒸汽機 礦井深度突破至150米 1785年瓦特改進的 蒸汽機能節約三分之二的煤 原來紐科門蒸汽機只有煤礦能負擔 現在其他礦井也可以用機器排水了 蒸汽時代的車輪轉動起來了，煤礦排水成爲啓動的導火索 蒸汽排水設施使煤礦深度由50米 飆升到300米 致命的瓦斯出現了，它主要成分是甲烷 以及一氧化碳和二氧化硫 在用蠟燭照明的19世紀初，瓦斯礦難層出不窮 百人以上的傷亡經常發生，年均死亡人數甚至超過千人 當時有人用到金絲雀，它對瓦斯很敏感 濃度一高就暈了，成了生物報警器 在漆黑的礦井，它的叫聲是生命之聲，成為礦工的精神寄託 1813年，愛爾蘭醫生克蘭尼發明瞭安全礦燈 用水槽封閉玻璃罩的上下端，封閉燭火 燃燒廢氣由管子引入水中再排出 它操作麻煩，需要專人用新型皮囊鼓風 誰也容易灑出來，但它是有效的 第二年，無機化學之父漢弗萊 戴維研發出帶鐵絲網的安全燈 火焰經過鐵絲網的熱傳導 外部溫度降到甲烷燃點以下，避免點燃瓦斯 與此同時，技工斯蒂芬森用玻璃罩封閉燭火，底部設置小孔 瓦斯濃度高時，氧氣濃度就低 火焰會缺氧熄滅，這個思路也獲得了成功 為了保護玻璃罩，斯蒂芬森燈也有鐵絲網 很像戴維燈，兩人為此爭執不休 斯蒂芬森當時是小技工，自然爭不過皇家學會會長 後來他也不用爭了，他成為大名鼎鼎的蒸汽火車之父 實際來看，斯蒂芬森燈通過熄滅來報警 礦工沒法再點燃，只能在漆黑中撤離 戴維燈不會熄滅，瓦斯濃度大時 燃燒更猛烈，可以根據火焰長度來報警 但戴維燈不防風，礦井裡有時風是很大的 1839年，醫生克蘭尼將兩者結合 下側用玻璃罩防風透光，上側用鐵絲網降低溫度 奠定現代安全燈的雛形。戴維認為,科學家要服務社會, 拒絕申請專利,公開了技術細節。但老闆們並不領情, 藉助這個神器,礦工被迫下到更危險的深層, 礦井深度增加到近千米,此時的煤礦產區高爐林立。 而在霧都倫敦矗立著各式各樣的煙囪 各家的廚房無數釀酒廠肥皂廠和麵粉廠 磚瓦窯和玻璃廠沖天的黑煙連綿不斷 幽深昏暗的礦洞彷彿是地獄入口 它是垂直深淵與橫向迷宮礦井寬度僅1米左右 礦工需要跪著拖動200多公斤的煤車脊柱變形很常見 他們艱難攀爬木梯礦燈僅能照亮半米範圍 硫磺和腐木的味道令人窒息 童工和女工很多甚至包括五歲的幼童和孕婦 飛揚的煤灰污濁的空氣突發的滲水 危險的瓦斯慢性的塵肺病時刻威脅著他們 緊鄰礦井的是連片的貧民窟 1845年恩格斯對曼徹斯特的煤礦貧民窟開始了 近兩年的調查 這裏環境擁擠污水橫流空氣裏充滿毒霧 礦工平均壽命不到30歲 這些調查資料成爲英國工人階級狀況的核心素材 馬克思說每個礦井都是吞噬生命的怪獸 這是用人的血汗來潤滑機器的齒輪 老闆們並不在乎他們緊盯工程師 和科學家不放過一丁點的科技進步 煉焦的副產品煤氣主要成分是氫氣和一氧化碳 1798年瓦特的僱員威廉· 莫多克利用蒸汽加壓鑄鐵管道輸送，實現了煤氣照明 第二年，法國菲利普勒本提出建設地下管道的設想 他進行公開展示，用鉛管連接木煤氣發生爐，帶動照明和供暖 當時正值大革命，人們更關注打仗，很快忘了這件事 德國商人溫澤參觀過勒本的展覽 移居英國後，他又見識到遙遙領先的英國採煤業 意識到商機，開始創立公司，組織研究團隊 他綜合威廉莫多克和勒本的技術，解決了鑄鐵管道的泄漏問題 用石灰洗滌硫化氫除臭，解決了淨化問題 建造水塔和儲氣鐵櫃，解決了加壓問題 他還研發煤氣竈具和計量表，打通了商用的各個技術環節 1807年首個煤氣路燈在倫敦點亮 溫澤開創特許經營模式，獲得議會授權 壟斷倫敦煤氣供應30年 威廉·莫多克老實巴交，沒什麼野心 雖然專利屬於瓦特團隊，但瓦特不感興趣 他忙着推廣蒸汽機，打專利官司，壓制後輩 放棄了煤氣照明領域 煤氣從焦爐的副產品變成了主角 煤炭氣化業自此誕生 各種煤的成分差異很大，各國開始氣化爐的研究 19世紀是固定牀時代，煤塊燃燒下行 氧氣和水蒸氣作爲氣化劑向上接觸反應 20世紀中期發展到流化牀氣化爐 煤粉被氣流吹動，在懸浮中反應，像沸騰一樣 20世紀晚期發展出氣流牀煤粉研磨更細 與氣化劑同向吹入反應爐效率更高 維多利亞時代的城市夜晚燈火通明一片繁華 夜間犯罪率下降了三成夜生活更豐富商業愈加興盛 燃氣管道成為城市標配居民不用再去伺候煤炭爐了 最開心的是紡織廠老闆他的工人們可以上夜班了 這次煤炭的能源替代改變了 人類的方方面面 更多的革新和創造正在醞釀