燃料的技术进步历程

中国人有句老话，叫开门七件事，柴米油盐酱醋茶。是说在日常生活的必须品中，作为燃料的柴火排在第一位，是过日子的首要问题，在某种程度上说，比粮食还紧要。有粮无柴，还是吃不上饭，有柴无粮，只要保持住体温，就可以减轻饥饿的感觉。柴火是生活中必不可少的能源，给人们带来了食物与温暖，还给人们带来了创造新的物品的能力。制陶、烧砖、冶铁炼铜，乃至发电、驱动机械等都少不了燃料。燃料从一开始就与人结下不解之缘。

最早进入生活的燃料是来自大自然的干草、枯叶和树枝，后来，庄稼收割后留下的秸秆也纳入了草木燃料的行列。成为伴随文明成长的基本燃料。人们主要用草木燃料做饭、取暖，在早期还用这种天然的燃料烧制陶器和砖瓦。而今，人们早已不用这种原始的燃料烧陶制瓦了，可是草木燃料至今仍然没有完全退出人们的生活。人们之所以对草木燃料恋恋不舍，有两个原因，一个是草木燃料到处都有，不用花钱，俯拾即是；另一个是，草木燃料方法简单，人人皆会，没有任何技术含量。然而，草木燃料毕竟比较粗略，其缺点也很明显，发热量小，火焰温度低，并且燃烧状态不稳定，烧水做饭时间耗费较长，燃料耗费也比较大，做一顿饭往往要用掉一箩筐草木燃料。为了满足一天的生活需要，往往需要有人专门花大量时间捡拾柴火，尽管草木燃料本身不要钱，但捡拾柴火的机会成本并不低。所以，只有那些经济不发达，生活节奏缓慢的农村才对草木燃料情有独钟。

草木是一种低效燃料，不能满足人们的所有需要。在生活中还经常遇到需要温度高，燃烧稳定的燃料的情况。木炭由此便应运而生。木炭进入人们的生活已经有数千年之久，那个时代人们还不知道煤这种黑色的石头可以燃烧，更不知道石油、天然气这样的东西可以当做燃料。木炭成为人们获得的第一种高效能燃料。木炭的优点是无烟无味，发热量大，火焰温度高，燃烧时间长。除了用来做饭取暖以外，还用来烧制陶瓷、制作砖瓦、冶炼金属，商代以来，青铜器和铁器都是用木炭冶炼的，木炭烧制的陶瓷也更加精美，成为古代中国文化的瑰宝。

木炭是木材或木质原料经过不完全燃烧，或者在隔绝空气的条件下热解，所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。 木炭是保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形碳。

森林着过大火，没有烧光的树干往往就形成了天然的木炭。这使人们很早就知道了木炭。木炭比柴草更耐烧，更便于运输，也更物有所值，这些优点使那些不愿意自己捡拾柴火的人甘愿掏钱购买木炭，木炭于是率先成为一种商品化的燃料。这激发了制炭业的兴起。使烧炭成为延续至今的一个最为古老且长盛不衰的行业。如今，制炭仍然是生活在偏远农村的人们就地利用身边的资源拓展收入来源的理想途径。木炭的消费市场在城市，由于人口集中的城市的出现，木炭成为城里人做饭取暖的首选燃料，这给木炭的生产带来了持久而旺盛的需求，天然木炭无法满足城市的需要，人工烧炭便成为很多身居乡野的人热衷的行当。

烧制木炭最好要选用那些密度比较高，材质比较硬的木头。最适宜烧制木炭的季节是秋冬时节。最简单、最原始的烧制木炭的方法是堆烧法，也就是把砍伐下来木头码放成一大堆，外部糊上泥巴，点火引燃，待火烧透木堆自然熄灭，火堆里剩下的就是木炭。堆烧法制炭因木头受热的温度、时间及氧气等炭化条件不易掌握，得到的木炭不仅量少而且质地较差。随着古代青铜器的大量铸造以及冶铁业的兴起，引发了烧炭技术的进步，窑烧炭的出现，使木炭在产量和质量两方面都有了明显提升。最晚在商周之际，炭窑技术已渐趋成熟，并被普遍采用。此后数千年，炭窑烧制木炭的技术几乎没有出现什么实质性的技术进步。

炭窑的形式、构造有很多种。首先要选好地址，最好是背风向阳的地方，土质结构紧密无石头，靠近山坡边建窑为好。炭窑内面酷似扇形，窑左边挖一条进出通道，便于人员进内装木棍和取炭。右边挖一个烧火的坑，坑上面再挖一个圆孔，斜延伸至窑内，用于进火苗。靠山边挖一个圆筒形烟悤出烟，烟悤外面高约3尺左右，烟悤上边两侧留一个小孔，便于观察出烟情况。窑顶是一个锅形。先将锯好的木棍垂直装内，长棍放中间，将棍挤紧呈一个锅形，然后用硬纸盒撕开盖在木棍顶上，将土用水调湿抄匀，不稀不干，调好后铺在硬纸上夯实，用木扇板锤打成锅形。锅中心留一个小孔叫天窗，使窑里面有光，便于看到装木料，待烧火时必须封闭。窑边四周用木树筒子把泥扎紧，烧第一窑炭时，就能把窑顶的土烧硬，坚似烟砖，取出炭后，窑顶就如扑地放的锅一样不会崩塌。 备料。烧炭的木料必须是纤维密度高的硬杂木最好。质料疏松的杉木、泡桐树等不宜用来烧炭，因烧出来的炭易熔，不耐燃烧。按一窑烧400斤炭计算，至少要备足1000余斤生木棍。 装窑。选择晴朗的天气，先将木棍按窑的大小砍断成棍。装窑时要按木材长短顺序从窑中间放起，将木棍挤紧，不要留空隙，装满后，将窑门通道进行密封。接着就可以烧火了。 烧火是用干燥的柴放在右边烧火坑内燃烧，直烧至烟悤口用手试烫手了，表示窑内的木棍已点燃，就停止烧火，并将火门封上三分之一。约一小时左右，再封三分之二，过三小时后开始全封，只留一个小圆孔直径约1寸至1寸半左右（因内面燃烧需要养气）。任其在内燃烧一天半左右，再从烟悤两侧孔内观察，约看不到出烟，烟悤口上冒的是兰色烟，表示内面木棍基本燃尽，就将火门全封闭，过上2至5天后便可打开窑门通道取炭了。 出炭。首先打开窑门通道，再将天窗打开，开始取炭。因木棍投地面的部分有的可能未全部烧过，出现炭头，取出来后要除掉。

如果烧到60-70%时就开始封窑，使炭外表看起来像全部烧过了的一样，实际木质里面未全部烧过心。这样能增加炭的重量，但烧起来有烟，更没有烧过心的炭那样火旺。

土窑烧木炭，技术主要在两方面：其一建窑关键在于密封方面、进气排气、便于装窑、便于密封。其二，碳化技术，一般顺序是装窑，点燃，刚开始时给足氧气让其燃烧，等烧到一半或五分之二时，关闭氧气也就是封窑门，让其在缺氧的状态下慢慢燃烧分解，分解出一氧化碳、木焦油、木醋液等有害气体，只留下炭物质也就是木炭。

按烧炭工艺的不同，又有白炭和黑炭的区别。以闷窑熄火的方法制炭，叫窑内熄火法，所烧得的炭为“黑炭”。 当薪材于窑内炭化后，并不即刻出炉，而是将炭在窑内隔绝空气冷却，如此所得的炭称为黑炭；将炽热的木炭自窑内取出与空气接触，利用热解生成的挥发物燃烧时产生的高温进行精炼后，再行覆盖冷却，此时的炭不仅硬度较高，而且表面附有残留的白色灰分， 故称之为白炭。因白炭在窑外又燃烧了一次，炭的重量相对较轻，故价格也较黑炭为贵。

随着森林树木资源变得日益稀缺，林业部门开始禁止砍伐林木烧制木炭，机制木炭应运而生。机制木炭不再以木头为原料，而是把稻壳、花生壳、棉花杆、黄豆秆、玉米秆等用制炭机挤压成型。但其碳化方法，还是采用古老的土窑烧炭，其操作流程并没有什么明显的改进。

木炭曾经是古代城市做饭取暖的主要燃料。作为一种生活必须品，其供给形成了一种比较通用的商业模式，城里有商人建立了店铺专门经营木炭柴草等燃料的销售。樵夫或烧木炭的农民把炭卖到这里，就完成了交易，避免了沿街叫卖之辛苦。随着城市人口的增加，林木资源短缺的问题变得突出起来，于是，一种新的燃料——煤便进入了人们的视野。煤进入人们的生活已经至少有两千多年的历史，但一直没有成为主流的燃料，直到工业革命以后，煤才被人们普遍接受，成为城市里的首要燃料。也就是从使用蒸汽机开始，人类才正式进入煤时代。

工业革命以前，煤是不太受人待见的燃料。与木炭相比，煤有诸多显而易见的缺点。煤不易点燃，每次生火，都要用一些木柴做引火物，这些木柴就是所谓的柈子。点煤炉子费时费力，需要掌握一定的技巧。烧煤的炉子结构也比烧炭复杂，炉膛要保持通风透气，且只能烧煤块，散碎的煤粉需要加工成煤球或蜂窝煤才能使用。煤块的内部往往不能燃烧透彻，留下大小不一的煤核，造成很大浪费。煤燃烧时发出的烟很大且味道呛人，燃烧后产生的煤灰四处飘扬，被人们看做是一种肮脏的燃料。此外，用煤取暖如果方法不当，还很容易造成煤烟中毒，导致死亡。有钱的富人很少买煤做家里的燃料，只有城市里那些收入不高的穷人用煤做饭取暖。煤的消费者这种经济状况决定了古代煤价始终在低水平徘徊，挖煤不是一个十分赚钱的买卖。这种状况抑制了采煤的技术进步，使煤炭开采在工业革命时期仍处于原始的水平。人们挖煤的工具主要是锹、镐、箩筐，只能取用埋藏在地表浅层的煤，运煤方式主要靠人拉肩扛，或畜力运输，采煤不多，运量有限。此外，由于城里人主要的买煤时节是秋冬两季，煤的需求存在明显的淡季和旺季之分，使挖煤很难成为一种具有一定规模的常年行当。古代挖煤的事情在大多数情况下是住在矿区附近的农民利用农闲时间赚钱的一种兼职手段。这些因素都限制了采煤技术的提高。

在工业革命前，有关煤的使用出现的唯一一个有意义的技术进步是烧制焦炭。用煤烧制焦炭的原理与用木头烧制木炭原理基本相通，都可以用土窑烧制。

在普通粘土砖窑炉内土法炼焦是在炉窑内不隔绝空气的条件下,借助窑炉边墙的点火孔人工点火,将堆放在窑内的炼焦煤点燃,靠炼焦煤自身燃烧热量逐层将煤加热(直接火加热部分);煤燃烧产生的废气与未燃尽的大量煤裂解产物形成的热气流,经窑室侧壁的导火道继续燃烧,并将部分热传入窑内(间接加热部分).高温燃气流(800℃〉则夹带着未燃尽的煤裂解物排入大气.这个过程延续8～11天,焦炭成熟,从人工点火孔注水熄焦,冷炉,扒焦。

焦炭主要用来冶炼钢铁。与木炭相比，焦炭炼出的钢铁质量不如木炭，且土法炼焦结焦周期长，成焦率低，煤耗高，焦炭灰分高(燃烧一部分煤造成的)。炼焦废气直接排入大气，不仅不能综合利用，还对大气造成严重污染。但焦炭比较坚固，且在风口区以上始终保持块状，保证了料柱具有良好的透气性，更适合大规模冶炼，逐渐取代木炭，成为冶炼钢铁的主要燃料。

煤取代木炭成为主要燃料，不是因为煤比木炭更好，而是因为木炭资源日渐枯竭，无法支撑日益增多的城市人口。中国北京的燃料历史就是一个典型的例子。明代以来，拥有几十万人口的北京成了世界上最大的城市，北京周边的草木资源不足以支撑由此产生的庞大燃料需求，于是，北京的燃料消费转向了以煤为主，就连紫禁城取暖也开始使用煤做燃料。北京西面山沟里的门头沟煤矿成了北京用煤的主要供应地。不过这并没有引发采煤商业模式的改变和采掘技术的进步。矿区内到处都是由一家一户分散经营的小煤窑。明代出版的《天工开物》描述了当时的采煤方法。

原始的采煤方法只能获取埋藏较浅的煤。那些埋藏较深或地质条件比较复杂的煤层人们便无法获取。当人们到达用手中仅有的简单工具无法继续开采的深度时，即使眼前丰厚的煤层让他们垂涎欲滴，他们也无法再向前迈进一步，只能忍痛割爱地放弃。寻找新的采挖点，打一枪换一个地方，这正是小煤窑们采煤的套路。煤井挖得越深，开采的难度越大。通风、排水、照明，防止冒顶、塌方等问题就会一个一个接踵而来。要克服这些困难，必须要依靠采煤的技术进步，需要在采煤装备上投入大量资金，需要采煤实现规模化生产。这意味着，采煤的商业模式与生产技术都要发生重大变化。而要实现这种变化，来自各方面对煤的强劲需求必不可少。而这种市场条件直到工业革命以后，才逐步完善起来。

工业革命不仅是用上了蒸汽机，而是由于分工范围的扩大带来了生活方式从而生产方式的一系列深刻变化。由于越来越多的人加入了专业分工的行列从事专门化的工作，他们原来的日常生活消费内容进入了商品化的序列，从而引发了一系列新兴产业的兴起。在这些新兴产业中，出现了很多需要热加工的工业。燃料的需求有了前所未有的提高，为采煤向机械化发展的技术进步创造了条件。采煤烧炭这些古老的行业开启了工业化改造的进程，产煤能力大幅提高，煤炭终于成为支撑经济发展的主打燃料，打开了经济增长的大门。此前，人类社会的各种经济体都是建立在现有生物资源基础上的自然经济，这种经济运行模式是没有经济增长的，尽管其经济总量随着人口的变化和年成的好坏每年都有所变动，但这种变动是围绕某个中间值出现的短期波动，从长期看则是在数量上没有什么实质变化的循环经济。这是因为在以草木为主打能源的时代，每年收获的粮食和产出的燃料数量是有上限的。这个上限就是经济增长的自然极限。矿石燃料成为主打燃料以后，突破了自然资源循环的天花板，消除了限制经济增长的资源瓶颈，把经济增长的极限推高到矿物能源储备的上限，这就为经济社会的发展提供了一个难得的空间，为人类在更高的技术水平上建立新的循环经济提供了可能。人类如何抓住这一短暂而有利的机会，向新的稳定均衡迈进，是一个关系到人类未来的大课题。

英国对炼铁用焦炭的需要量大幅度地增加，炼焦炉应运而生。1763年发展了将煤用于炼焦的蜂窝式炼焦炉，它是由耐火砖砌成圆拱形的空室，顶部及侧壁分别开有煤料和空气进口。点火后，煤料分解放出的挥发性组分，与由侧门进入的空气在拱形室内燃烧，产生的热量由拱顶辐射到煤层提供干馏所需的热源，一般经过 48～72h，即可得到合格的焦炭。

用煤烧制焦炭的过程中，会产生两种产品。焦炭和分馏出来的气体。这种气体是多种化学成分的混合物，可以燃烧，是比焦炭更为宝贵的资源。可是，在人们开始用煤烧制焦炭以来相当长的一段时间，人们不知道怎么利用这些气体产物，他们把它直接排放到空气中，既浪费了资源又污染了环境。这无异于丢了西瓜捡芝麻。直到为了冶炼钢铁大量烧制焦炭时，人们才开始着手解决这个问题。人们由此学会了制备和利用煤气。从此，气体燃料逐渐进入了人们的生活，而对煤的加工处理，也由烧制焦炭为主，变成分馏煤气为主，焦炭成了整个生产过程的副产品。催生了一个全新的工业——煤化工行业。

18世纪末，煤用于生产民用煤气。1792年，苏格兰人W.默多克用铁甑干馏烟煤，并将所得煤气用于家庭照明。1812年，这种干馏煤气首先用于伦敦街道照明，随后世界一些主要城市也相继采用。1816年，美国巴尔的摩市建立了煤干馏工厂生产煤气。从此，铁甑干馏煤的工业就逐步得到发展。1840年，法国用焦炭制取发生炉煤气，用于炼铁。1875年，美国生产增热水煤气用作城市煤气。1850～1860年，法国及欧洲其他国家相继建立了炼焦厂。这时的炼焦炉已开始采用由耐火材料砌成的长方形双侧加热的干馏室。室的每端有封闭铁门，在推焦时可以开启，这种炉就是现代炼焦炉的雏形。焦炭虽是炼焦的主要目的产物，炼焦化学品的回收，也引起人们的重视。19世纪70年代德国成功地建成了有化学品回收装置的焦炉，由煤焦油中提取了大量的芳烃，作为医药、农药、染料等工业的原料。

第一次世界大战期间，钢铁工业高速发展，同时作为火炸药原料的氨、苯及甲苯也很急需，这促使炼焦工业进一步发展，并形成炼焦副产化学品的回收和利用工业。1925年，中国在石家庄建成了第一座焦化厂，满足了汉冶萍炼铁厂对焦炭的需要。 　　1920～1930年间，煤低温干馏的研究得到重视并较快发展，所得半焦可作民用无烟燃料，低温干馏焦油则进一步加工成液体燃料。第二次世界大战前夕及大战期间，煤化工取得了全面而迅速的发展。纳粹德国为了发动和维持战争,大规模开展由煤制取液体燃料的研究工作,加速发展液体燃料的工业生产。1923年发明的由一氧化碳加氢合成液体燃料的费托合成法，1933年开始工业生产，1938年产量已达590kt。1931年,F.柏吉斯由于成功地将煤直接液化制取液体燃料，而获得诺贝尔化学奖金。这种由煤高压加氢液化制取液体燃料的方法，1939年已达到1.10Mt的年生产能力。

在此期间，德国还建立了大型的低温干馏工厂，以褐煤为主加入少量烟煤的压型煤砖作为原料,开发了克虏伯-鲁奇外热式干馏炉及鲁奇－斯皮尔盖斯内热式干馏炉。所得半焦用于造气,经费托合成制取液体燃料;低温干馏焦油经简单处理后作海军船用燃料，或经高压加氢制取汽油和柴油。1944年低温干馏焦油年生产能力已达到945kt。第二次世界大战末期，德国用加氢液化方法由煤及煤焦油年生产的液体燃料达4Mt,由煤生产液体燃料总量已达每年4.8Mt。与此同时,工业上还从煤焦油中提取各种芳烃及杂环有机产品,作为染料、炸药等的原料。此外,由煤直接化学加工制取磺化煤、腐植酸和褐煤蜡的小型工业，及以煤为原料制取碳化钙，进而生产乙炔从而以乙炔为原料的化学工业也获得发展。

第二次世界大战后，由于大量廉价石油和天然气的开采，除炼焦工业随钢铁工业的发展而不断发展外，工业上大规模由煤制取液体燃料的生产暂时中止，不少工业化国家用天然气代替了民用煤气。以石油和天然气为原料的石油化工飞速发展，致使以煤为基础的乙炔化学工业的地位大大降低。值得提出的是南非由于其所处的特殊地理和政治环境以及资源条件，以煤为原料合成液体燃料的工业一直在发展。1955年SASOL-Ⅰ费托合成法工业装置建成。1977年，又开发了大型流化床反应器，并先后开发SASOL-Ⅱ、SASOL-Ⅲ，1982年相继建成两座规模为年产1.6Mt的人造石油生产工厂。

1973年中东战争以及随之而来的石油大幅度涨价，使由煤生产液体燃料及化学品的方法又重新受到重视。欧美等国对此又进行了开发研究工作，并取得了进展。如在煤直接液化的方法中发展了氢煤法、供氢溶剂法(EDS)和溶剂精炼煤法(SRC)等；在煤间接液化法中发展了SASOL法，将煤气化制得合成气,再经合成制取发动机燃料；亦可将合成甲醇再转化生产优质汽油，或直接作为燃料甲醇使用。 　　由于石油的消耗量大，而煤的资源极为丰富，煤化工将得到进一步的发展。