Топливо для промышленной революции, уголь, кокс и запах серы

5 января, 19:18
От семи великих столиц Китая Кайфын отличался тем, что людей сюда привлекали не близость к власти, не роскошь дворцов и садов, нет – их привлекала возможность найти работу. Кайфын был не городом роскоши и столицей неги и интриг, а городом-заводом, городом-тружеником.

Уже в самом начале XI века на планете ни один город не мог превзойти его по размерам – в нем проживало около миллиона человек, из которых больше половины были заняты в производстве железа.

Окрестности Кайфына быстро «лысели» - леса истреблялись по всему периметру города, так как выплавка железа требовала топлива в немыслимых количествах, и скоро выяснилось, что привозить дрова неоткуда – даже по берегам Хуанхэ, на которой стоял город, и вдоль четырех сходящихся к нему каналов леса свели полностью.

В 1013 году город потряс «топливный бунт», так как цены на топливо стали недоступными, и с тех пор проблема выживания зимой для кайфынцев всегда стояла остро (стихотворение примерно 1080 года, написанное от лица женщины, рассказывало о том, что она хотела бы отдаться за тепло, иначе погибнет, но не было никого, кто мог бы предложить такую плату).

Выводить куда-то ближе к лесам производства, на которых работало более полумиллиона человек, было невероятно сложной и даже скорее нерешаемой задачей, но человеческая изощренность нашла выход, и с середины XI века плавильные печи топились уже не древесным, а каменным углем, благо Кайфын был удобно расположен около двух крупнейших месторождений угля, находившихся выше и ниже столицы, на берегах Хуанхэ.

Построенная в 1049 году Железная Пагода, украшение и исторический памятник Кайфына, и сегодня радует глаз

Кокс и доменные печи позволили в очень короткий срок увеличить производство железа в шесть раз. Конечно, самая большая его часть шла на военные нужды, но объемы производства были таковы, что «остатков» хватило на насыщение сельского хозяйства железными орудиями труда.

Мягкие налоги, прядильный станок, небывалая в истории Китая свобода для предприимчивых людей, выросшая производительность труда на земле, позволившая отправлять избыток рабочей силы в города, – благословенные времена, конец которым положили две волны нашествий: сначала чжурчжэни захватили город в 1127 году и «похозяйничали» так, что уничтоженные производства никогда уже не восстановились; а век спустя пришли монголы, повторно уничтожившие и Кайфын, и поднявшую было голову промышленность на юге Китая, в империи Сун, куда в свое время, спасаясь от чжурчжэней, бежали китайские мастера.

Ученые, оценивая этот период в развитии Китая, считают, что события XI века очень походили на процессы во времена английской промышленной революции, и, если бы не варвары, которых бездарные китайские политики «привезли» себе сами, возможно, ход мировой истории мог быть другим, но случилось то, что случилось.

Средневековый Китай. Возможно, здесь мы видим процесс получения кокса

Новым завоевателям, чжурчжэням и сменившим их монголам, железо в таких количествах было не нужно, они не смогли оценить доменные печи и уж тем более были не в состоянии поддерживать их работу. Китайцы же массово бежали от завоевателей на юг, домны были разрушены, а шахты – заброшены.

Но это — далекий и загадочный Китай, непонятная эпоха, о которой мы знаем немного. Значительно больше мы знаем о тех же самых процессах, которые происходили в Европе, правда намного позже.

Во всяком случае, когда промышленная революция началась в Англии, англичанам пришлось столкнуться с теми же проблемами, что и китайцам в свое время: необыкновенно высокий спрос на железо, очень энергозатратное производство, а леса… С лесами в Британии XVII века дело обстояло намного хуже, чем в Китае века XI, – их оставалось совсем немного.

Правда, было много угля: он находился практически везде, причем был легко извлекаемый – британцы буквально ходили по нему.

К тому времени европейцы уже «переизобрели» доменные печи – в Китае они были известны с IV века, а в Европе появились только во второй половине XV столетия, в Вестфалии, придя на смену кичным печам, откуда необыкновенно быстро, по меркам тех неспешных времен, распространились по всему континенту. В Англии первые домны построили уже в 1490-х годах.

Доменные печи, высота которых достигала пяти метров, были сложным инженерным сооружением, учитывающим все достижения эпохи: воздух в печь подавался мехами, которых было не менее двух, чтобы, действуя попеременно, они могли обеспечить непрерывное дутье. Сами меха приводились в движение водяным колесом, которое, в отличие от мускульных усилий, работало ровно, не уставало и не сбивалось с ритма.

Домна

Но в XVII веке, как мы уже говорили, возникла топливная проблема – доменных печей появлялось очень много, так как спрос на железо рос невероятными темпами, а вот топить их стало нечем. Ввоз леса и даже древесного угля из Скандинавии и Новой Англии не спасал положение – возить лес, кроме корабельного, было невыгодно, цена поставок быстро и значительно росла, а объемы сокращались, отчасти в связи с тем, что параллельно рос спрос на продукты лесохимии вроде поташа или скипидара, компактные в перевозках и стоящие дорого, – купцы и перевозчики предпочитали их древесине.

Нельзя сказать, что англичане ничего не знали о горючих свойствах угля и не пробовали ими пользоваться – уже в XV–XVI веках уголь стал весьма обычным видом топлива в домах, применяли его и для производственных нужд, тем более что дела с лесом обстояли всё хуже и хуже. Потребителем леса номер один в стране являлся королевский флот: на постройку только одного линкора уходило примерно 2500 дубовых стволов. Англия того времени была сплошь деревянной – строительство тоже требовало леса.

Быстро развивавшаяся железоделательная отрасль показывала темпы роста, превосходившие все остальные: к 1630 году в Англии работало не менее трехсот плавильных заводов, совокупно потреблявших более 350 тысяч кубометров древесины.

Углежоги, производство древесного угля. Правда, это не Англия, а Урал, XIX век. Леса еще много, и можно было позволить себе топливо, которое находится под рукой

Лес расходовался для производства доков, шлюзов, крепостей, бочек, тачек и инструментов, для множества производств, которые требовали тепловой энергии, и, наконец, просто для отопления жилищ – Англия не та страна, где зимой можно выжить без обогрева.

Потребление леса резко возрастало, его объемы резко уменьшались, в течение XVI века цена на него удвоилась, за первую четверть XVII века она удвоилась еще раз – процесс казался современникам страшным и предсказуемо убийственным, и обобщивший все эти ужасы в жалобе к королю Якову I агроном и экономист Стэндиш завершил свое послание словами: «Не будет леса – не будет и королевства».

Можно сказать, что человечество живет в постоянном ощущении безысходности и ожидании катаклизмов, и, конечно же, будет существовать в этом состоянии всегда, но пока на любые вызовы находятся ответы и решения, во всяком случае, в нашей истории всё произошло именно так.

До широкого использования каменного угля для нагрева домен применяли древесный уголь, который приготовляли методом пиролиза, то есть нагревом исходного сырья с минимальным присутствием воздуха: закладывали дерево в специальные ямы, засыпали и поджигали через специальные отверстия. Этот процесс постоянно совершенствовался (угольные ямы и кучи давали 1 кг продукта из 12 кг древесины, угольные трубы, специально придуманные приспособления, – 1 кг угля из 8 кг топлива, современные технологии позволяют получить 1 кг из 3–4 кг древесины).

«Уголь под ногами», каменный уголь, не требовал предварительной обработки, он загорался при температуре около 200 градусов и обеспечивал долгое тепло.

Сбор sea coal, морского угля, около Миддлтона, скорее всего, начало XX века

Этим пользовались англичане (поэт Чосер упоминает об угле еще в конце XIV века и, кстати, проклинает его, о чем мы поговорим ниже), причем не только для обогрева домов – кузнецы или солевары использовали его свойства несколько столетий.

К XVII веку в обиходе англичан был sea coal, морской уголь, который добывали в районах морских мысов, где он выходил на поверхность. Но его не хватало, и широко использовали pit coal, карьерный уголь, который тогда добывали еще не в шахтах, но вся Англия, по свидетельству современников, уже была испещрена шурфами.

Широкое применение угля сдерживалось категорическим общественным неприятием. Ведь это продукт горного дела, а оно, как всем давно известно, напрямую связано с происками дьявола, подземелье – территория сатаны, и всё, что там происходит и что оттуда извлекается, – «нечистое».

Королева Елизавета лично воевала с пивоварами, имевшими наглость использовать уголь в своем ремесле, – показательно отправила в тюрьму и разорила одного (или нескольких?) из них за применение угля и тем способствовала повальному бегству пивоварен из городской черты.

Пища, приготовленная на угле, считалась «нечистой», дым от сжигания угля – вредоносным и опасным для здоровья, и выходило, что пользоваться углем могли разве что маргинальные слои общества. Хотя нищих и отверженных в Англии того времени, конечно, хватало. Отчасти проблема была в том, что в те годы пищу готовили на открытом огне, а уголь центральной Англии не отличался чистотой: в нем высоко содержание серы, и сжигание приводило к ее выделению – запах серы отлично иллюстрировал теорию о дьявольском присутствии (стоит заметить, что именно широкое использование угля привело к повсеместному появлению уже с XVI века печей с дымоходами, которые до того были редкостью).

Немецкая миниатюра XVII века, рассказывающая о процессе получения изделий из металла, от горных работ до кузницы

Всё волшебным образом переменилось после того, как Елизавету сменил шотландский король Яков VI, завладевший, одновременно с шотландским, и престолом Англии (и в этом качестве получивший имя Яков I).

К 1603 году, когда произошло это событие, в Шотландии предрассудки насчет угля ушли в прошлое – уже столетие, как в этих северных землях острова Британия не было леса, а без угля люди там просто не выжили бы.

Яков завел обыкновение топить печи шотландским антрацитом – углем куда более высокого качества, чем английский, с минимальным количеством примесей (запах серы, содержание которой в шотландском угле было в 12 раз ниже, чем в угле из Ньюкасла, не ощущался). Следом за королем потянулась знать (владыка, который в настоящий момент находится на троне, всегда мудр, и все те, кто вслед за прежней королевой громили нечестивцев, использующих «дары дьявола», восхитились идеями нового короля), а после и средний класс. Что касается бедняков, то у них и раньше особого выбора не было, зато его отсутствие привело к тому, что накопился неплохой опыт работы с этим ископаемым.

Родившийся в 1599 или 1600 году (точных данных нет) Дод Дадли, незаконнорожденный сын барона Дадли и его любовницы, дочери углежога, с раннего детства наблюдал и процесс приготовления древесного угля его дедом, и то, как отапливается жилище бедняков каменным углем.

Эдвард Саттон, 5-й барон Дадли, который известен вовсе не только плодовитостью, – это человек с богатой биографией, прославившийся на многих поприщах

Барон Дадли, кстати, свою вторую, незаконную, семью любил и всем одиннадцати детям, рожденным дочерью углежога, дал образование – Дод, например, учился в Оксфорде, откуда и был вытребован отцом (обучение он не закончил) для управления металлургическими заводами лорда Дадли в Пенснетском лесу.

Да, ничто человеческое не было чуждо английской аристократии. Лорд варил чугун, что давало ему хорошую прибыль, место для заводов было выбрано удачно, всё-таки лес, топливо (отсюда и углежоги с прекрасными дочерьми), вот только к тому моменту, когда Дод прибыл исполнять волю отца, огромный Пенснетский лес остался лесом разве что номинально – топоним сохранился (до сих пор), а вот леса уже не существовало.

Зато в изобилии был уголь «под ногами», и лорду понадобился доверенный и энергичный человек, способный организовать правильные эксперименты с топливом.

К 1618 году, когда в Пенснетском лесу был получен первый чугун, выплавленный на угле, проклятие «дьявольского топлива» уже не витало над этим ископаемым, и Доду Дадли выпала тяжкая доля оспаривать право на свое изобретение в многочисленных судах, а также доказывать, что его чугун ничем не хуже чугуна, выплавляемого конкурентами на древесном угле (зафиксировано как минимум четыре дела по экспертизе качества металла Дадли, точку в которых поставил в итоге король Яков).

В 1626 году домна Дода Дадли (принадлежавшая уже лично ему, а не лорду), где он использовал меха необыкновенной мощности и розжиг исключительно на угле, давала семь тонн чугуна в неделю, что не только превышало мощность домен в Пенснетском лесу, но и являлось абсолютным рекордом для всех домен Англии.

Дон Дадли указал магистральный путь развития всей металлургии Англии, объемы производства чугуна в стране выросли за первую половину XVII века в четыре раза – спрос на металл уже не сдерживало отсутствие леса, было найдено новое решение, гипотеза «не будет леса – не будет королевства» не подтвердилась, изворотливый человеческий ум, как всегда, нашел решение.

Доменная печь времен Дода Дадли

Впрочем, успехи Дадли и его последователей – вовсе не конец истории о том, как топливо подстегнуло производство. Наверное, конца у нее не существует вообще, потому что потребность в энергоносителях теперь с нами навсегда, притом что их виды меняются.

Но в этой статье мы ограничимся углем, и ко временам Дадли его история только начиналась.

Кстати, история могла бы немного «пришпорить» изобретение кокса, так как его приготовление довольно подробно описал немецкий химик Иоганн Иоахим Бехер, которого судьба забросила в Лондон. Но одержимость Бехера грандиозными проектами, вроде рытья канала Рейн – Дунай, изготовления золота из песка и множества подобных, сыграла с ним злую шутку: его идеи не принимали всерьез ни на родине, ни в Голландии и Англии, где он жил позже.

Продолжил эту историю Абрахам Дарби — он вошел в историю как Абрахам Дарби I, для удобства счета, потому что и его сын Абрахам, и его внук Абрахам тоже оставили след в истории металлургии. Здесь удобно порассуждать о генах и наследственности, тем более что прабабушка Абрахама была родной сестрой Дода Дадли, но мы оставим эти рассуждения поклонникам евгеники, а сами вернемся к теме угля.

Абрахам был квакером (радикальное протестантское объединение, само слово переводится как «трепещущий»), в начале 1690-х он приехал в Бирмингем и поступил в обучение к мастеру (конечно же, квакеру), изготавливавшему медные мельницы для помола солода. Собственно, солод и металл – вот та самая комбинация, которая привела Абрахама Дарби к идее использовать кокс в металлургии.

Дело вот в чем: для приготовления солода повсеместно, как уже на любом производстве в Англии, использовали уголь, но его предварительно прогревали, чтобы «выпарить» серу, которая могла придать солоду дурной запах.

Портретов Абрахамов Дарби не сохранилось, они не пытались себя увековечить, зато сохранился чугунный мост, известный как "мост Дарби", построенный, правда, уже внуком нашего героя, Абрахамом Дарби III

Получив опыт и в выплавке металлов, и в преобразовании угля, Дарби переехал в Бристоль, где нашел компаньонов-квакеров для организации заводов.

Его заводы (он пригласил мастеров из Голландии) занимались выпуском посуды – сначала медной, позже железной (туманный сюжет о том, как изобретение юным валлийцем-подмастерьем Джоном Томасом литейных форм для этого производства становится патентом богобоязненного квакера Дарби, выходит за рамки нашего повествования), и вот тут Дарби применяет опыт, полученный им в работе с солодом, – он начинает использовать кокс.

С этого момента объемы производства резко взлетели – его чайники, горшки и котлы стали обязательным атрибутом каждой английской семьи, более того, Европа и Новая Англия тоже были завоеваны его продукцией – новое топливо вкупе с серийным производством творило чудеса.

Первые опыты приготовления кокса традиционны – это коксовые ямы или коксовые кучи, в которые закладывается уголь и применяется всё тот же способ пиролиза. Заметим, что уголь при этом рассыпается, выход кокса составляет от 33% до 50%, причем металлурги используют только крупные куски.

По сути, Дарби занимался оптимизацией производства кокса всю жизнь (он умер в 1717 году), и только его сын, Абрахам Дарби II, в 1735-м начинает получать стабильное качество топлива, используя всё те же коксовые кучи и ямы.

В дальнейшем это примитивное устройство совершенствовалось: слои угля прокладывали глиной, появились газоотводные трубки, а в 1768 году легендарный Джон Уилкинсон, прозванный Iron-Med, придумал специальную печь для обработки угля, которая давала стабильный выход кокса не менее 65%.

Впрочем, угольные кучи еще долго никуда не уйдут из нашей жизни – во многих странах они в ходу и сегодня.

Кокс открыл для металлургии новые возможности: благодаря более высокой температуре горения стало возможно кратное увеличение производительности и самые разнообразные формы литья.

Использование кокса изменило и сами домны – они значительно выросли в размерах, так как одна плавка благодаря более высокой температуре позволяла обрабатывать больше металла. Домны и раньше казались огромными – их высота достигала пяти метров, – а наследники и последователи Дарби строили домны высотой в десятки метров.

Уильям Билли Скотт, "Железо и уголь", 1855–1860 годы. Да, железо и уголь в самом деле стали двумя столпами и двумя символами промышленной революции

Можно с уверенностью говорить о том, что именно изобретение Абрахама Дарби I кардинально изменило английскую промышленность и стало предпосылкой промышленной революции – так, востребованное ей железо теперь производилось, казало бы, неограниченно. Совсем недавно металл был столь дорогим, что еще в XVII веке европейцы зачастую пользовались деревянными или костяными орудиями и предметами быта (котел или сковорода были великой ценностью и передавались по наследству), а теперь они повсеместно переходили на железные орудия и утварь. Что уж говорить о военных ведомствах всех стран, для которых массовое изготовление инструментов убийства было так ценно и всегда желанно.

Уголь и угольную промышленность вскоре будет ждать еще один мощный толчок – начиная с изобретения Уаттом парового двигателя и повсеместного его использования объемы выработки значительно вырастут, профессия шахтера станет одной из самых популярных и распространенных в мире (и одной из самых трудных и опасных).

Несмотря на то, что сейчас уголь вытеснен своими «родственниками», нефтью и газом, огромное число производств и домохозяйств всё еще не могут без него обходиться.