01 杀鲸取油
在古代,想要实现“照明自由”可不是件容易的事,中国如此,国外亦如是。光明的诱惑始终激励着人们不断前进。
“春蚕到死丝方尽,蜡炬成灰泪始干”。
“蜡烛有情还惜别,替人垂泪到天明”。
“何当共剪西窗烛,却话巴山夜雨时”。
古人留下的这些优美诗句,让我们知道了,蜡烛作为照明工具在我国很早就出现了,蜡烛主要是由蜂蜡、虫蜡、树蜡等制成,因量少价贵,都是富贵人家才用得起。平常人家使用的大都是油灯,“只许州官放火,不许百姓点灯”,这个“灯”指的就是油灯,燃烧的是家家户户都有的植物油(豆油、芝麻油、茶油等),至于穷的叮当响人家,若要照明,也就只能烧柴燃薪了,更不济的,同时也为了安全,于是有用功的学子,想到了“凿壁借光”、“囊萤积雪”的取巧办法。
在寻找更多的照明材料过程中,古人很早就知道动物脂肪也是一种很好的照明燃料,但肯定是舍不得白白烧掉,毕竟数量少,要先满足口腹之需,若能捕捉到大大家伙,则另当别论了。
地球上最大的动物,非海中鲸鱼莫属,古人发现鲸的脂肪量巨大,是上等的照明原料。《史记·秦始皇本纪》记载: “以人鱼膏为烛,度不灭者久之”,《三秦记》中讲到:“始皇墓中,燃鲸鱼膏为灯”,由此可以推断这里的长明灯是用鲸鱼油膏制作而成的。
只不过,由于造船、航海技术的限制,古人在早期也只能在近海捕捞,鲸鱼来源有限, 鱼膏点灯实属奢侈。当时的捕鲸业主要是猎杀那些成群到达近海区域的鲸,比如美国捕鲸业的重点南塔吉特岛,这里每年秋冬季都会聚集数百头露脊鲸——脂肪含量高而且非常容易捕捉。
当然,我国近海鲸鱼不多,加之养蜂业、油料种植业发达,还有特产的白蜡树,蜡烛原料来源较广,因此鲸鱼油膏需求并不迫切;反观欧美,则是鱼膏难求。随着大航海时代的到来,人类捕捞范围远达深海,在这个过程中,人们偶然捕捉到了抹香鲸,惊讶的发现这种鲸的大脑袋里有“鲸脑油”,和普通鲸油相比,鲸脑油燃烧更为充分,没有太大的异味,很快就成了欧美那边上层人士的必需品,市场需求很大,于是,人们纷纷建造大型捕鲸船,开始深入大洋,寻找抹香鲸。
和游动缓慢、性格温顺的露脊鲸不同,一次深潜过后,要停留在水面上很长时间用以呼吸换气,给了很好的猎杀机会。抹香鲸遭遇人类攻击时,反击力度很大,捕鲸是个危险行当,但是,当时的捕鲸业绝对是最赚钱的行业之一,架不住暴利的诱惑,有条件的人们纷纷涉足,捕鲸业越来越繁荣。。
统计数据表明,美国在18世纪末,拥有超过600条的捕鲸船,超过了世界上其他国家的捕鲸船总数。过度捕捞导致抹香鲸数量急剧减少,鲸鱼油价格快速上涨;这反过来又促使人们更加疯狂地到处捕杀鲸鱼;如果再这么持续下去,也许用不了多久,包括抹香鲸在内的各种鲸鱼油真有灭绝的危险。
万幸的是,石油工业化时代随后就到来了,煤油、汽油的出现,取代了鲸鱼油,成为了照明燃料的主力军。实际上,我国古代已经原始利用起石油、天然气了,只是未成规模,具体内容可见上期文章《觅油记一:油!油!油!》
02 煤油时代
1823年,俄国的杜比宁三兄弟在北高加索的莫斯多克附近,建立了世界上第一座釜式蒸馏工厂,开始炼制石油。这是历史记载中最早的炼油工艺,砖砌的炉子上摆着一具铁制的蒸馏釜,釜上有一个大铜盖,一根开口铜管从釜里穿过铜盖延伸出来,没入盛水的木桶中,最后接入容器;釜中的石油被煮开后开始挥发,挥发物进入铜管得到冷却,液化后流入容器。
倒入40小桶原油蒸馏后,可得到16小桶清色石油产品(煤油),釜里留下约20桶残余油,另4小桶的量当然蒸发跑了。
这流程不就跟中国流传千年的蒸馏酒做法极度相似吗!我国古人怎么没想到去提炼石油呢?
杜比宁的炼油厂一直发展不起来,一是原油供应量很小,生产成本高,二是产品的销路很难打开。10几年后,几经周折,才把煤油销到了莫斯科,渐渐受到人们的欢迎。
1846年。加拿大地质学家亚布拉罕﹒季斯纳发明了从煤中提取煤油的方法,就是对煤炭进行液化,进而实现的“合成石油”。后来,他向美国申请了“煤油“专利,还在纽约建厂。这是煤化油的开端。
1848年,俄国工程师谢苗诺夫在阿塞拜疆巴库附近的阿布塞隆半岛上,开钻出了世界上第一口现代型油井,谢苗诺夫因此被后人称为“现代石油之父”。
1849年,苏格兰的杰姆斯·伊本(James Ibung)生产出“石蜡油”(Paraffine Oil),用于照明,原料先是煤矿里渗出来的石油,后来改用烛煤(Cannd Coal)。这一工艺获英国专利。这一技术转让给了英国、美国许多工厂。
石油蒸馏提取煤油的发明工艺迅速地传遍世界各地,煤油因其价格适中、燃烧充分、亮度较高,深受大家欢迎,各地的人们在使用煤油过程中,又发明了半封闭、可移动的煤油灯,至此石油开发、煤油使用进入了爆发期。
1850年,美国人萨缪尔.M.基尔也通过蒸馏釜方法生产出灯用煤油,开始在匹兹堡第七大街出售,每加仑卖1.5美元,但有股难闻的臭味。纽约的一位商人费里斯看中了后买回去进行简单处理,加工成弱味灯油,在市场上大受欢迎。接下来费里斯以20美元每桶的价格从加利福尼亚、东印度、加拿大等国收购原油,同时也买下了美国多处微型矿井,到1858年,这一年里费里斯加工了1183桶(161吨)原油,成为美国当时最大的炼油商,不过,没多久就被狠人洛克菲勒秒杀了。
1852年,波兰人阿格纳斯•卢卡西维奇同样是通过蒸馏这种简易的方法从原油中得到了煤油,次年在靠近波兰南部的克罗斯诺发现了第一个“岩石油”矿,建成了世界上第一座现代的油矿,卢卡西维奇在其附近建造了第一家炼油厂(实际上是一家以酿酒为主的工厂)。
生产灯用煤油的蒸馏,是常压蒸馏,也是石油炼制过程最基本的工艺。直到现在,常压蒸馏炼制过程仍然是所有炼油厂的第一道加工工序,炼油厂的常压蒸馏能力,就是这座炼油厂的加工能力。
到1858年年底,光美国一地就有50多家简易炼油厂,分别用软媒、页油岩和天然沥青生产煤油,但所产煤油的量远远满足不了巨大的社会需求,于是,人们纷纷踏入挖井找石油行列。
1859年8月27日,美国宾夕法尼亚州,埃德温·德雷克在宾夕法尼亚州开钻一口21米深油井,稳产后每天大可出25桶石油(约3.4吨),这口机械化钻井、采油、控油的商业油井开发被视为现代石油工业的开端。8月27日成了石油8月27日这一天,后人称之为“石油工业的诞生日”, 德雷克井所在的地方定为世界石油工业的诞生地。
1860年,美国人本杰明-西利曼建成了世界上最早的原油分馏成套装置,虽然比较粗糙,但通过分馏、冶炼生产,还是得到了C9-C18的产物。不过,C12以下的馏份容易汽化、爆炸,基本就是直接倒入河中,这种做法,既危险,又污染环境。西利曼还对石油成分进行了分析,确认了其主要成分是碳氢化合物,也就是大部分烷烃,还有部分不饱和烃,比如芳香烃,烯烃之类的。
后来,人们逐渐明白了,石油经过蒸馏冶炼后,在不同温度下可以得到不同馏份,C5-C6沸点在60摄氏度以下,被称为石脑油,C6-C12沸点在200度以下被称为汽油,再往上分别是C12-C16的煤油,C15-18的柴油。柴油黏度过大,燃烧性能差,很少被使用,而汽油、石脑油因易挥发,加之当时尚未掌握有效的使用方法和保存途径,被视为无用的馏分,直接丢弃。当时不识宝的人们提炼石油,也只是为了取得煤油,对其它的石油生产物往往视而不见,也未觉得浪费、可惜。
1861年,俄国巴库建立了当时世界上最大的一座炼油厂,当年就出产了世界上90%的石油,不过,美国很快就后来居上了。
在大量生产煤油之前,美国一加仑(约4升)的鲸鱼脂肪价格约为1.77美元,而同量的煤油价格仅为0.07美元,大量采用煤油后,鲸鱼脂肪价格跌至每加仑0.40美元,鲸鱼油开始被逐步淘汰,世界捕鲸业开始衰落,石油开采业开始繁荣。
在1860年代,美国的石油市场处于自由竞争时期,原油产量逐年增长迅猛,但总量并不是很多,各种因素交织在一起,导致石油价格大起大落。
在宾夕法尼亚钻探石油狂潮掀起初期的1860年,全美年产量为6.7万吨,到1861年产量就翻了4倍多为28.2万吨,至1862年全美年产量增加到了40.8万吨。在短短的几年之内,美国的原油产量占到了世界总产量的90%,总炼油能力达到了6000桶/日,约30万吨/年,并在1861年出口了第一船煤油到欧洲。
由于供应量的大增,原油的平均价格从1859年16美元每桶暴跌至1861年的0.49美分。但随着鲸鱼油的淘汰和煤油灯的普及,加上1861年美国南北战争的爆发,需求很快超过了供给,原油价格开始回升,1862年价格回升到1.05美元每桶,至1864年价格涨到了8.06美元的高位。
1865年,美国南北内战结束,原油需求出现下降,价格从高位开始震荡回落。在此后期间,由于对原油储量的不了解,价格也经常会因为某些信息影响而暴涨暴跌,比如宾夕法尼亚州的石油可能很快会枯竭,油价很快就会飞涨,然后某处可能又发现了新的油田,油价又会跌入低谷。
油价的起伏不定又持续了10几年,但依然挡不住人们对石油财富的狂热追求,石油产量依然是逐年递增;到了1878年,爱迪生发明了电灯泡,之后的城市照明大规模电气化,导致煤油消费在短时间内大幅减少,而产量还是快速增长,从而导致全球石油工业陷入一片萧条,似乎再也没有了前途。
然而,萧条并没持续多久,石油真正的划时代春天来了,只因是内燃机现世了,内燃机是继百年前蒸汽机之后的又一个伟大发明,标志着新历史变革时代的又一次开启。
03 内燃机时代
蒸汽机时代是如何跨入内燃机时代呢?下面接着细说由来。
大约在1679年,法国物理学家丹尼斯打造出了史上第一台所谓的蒸汽机鼻祖(高压锅);到了1698年,英国人托马斯发明了仅能用于上下运动使用的抽水蒸汽机。1785年,英国人瓦特改良制造出第一台具有历史实用意义的蒸汽机。
蒸汽机的工作原理是利用燃烧的煤炭来加热锅炉内的水,使水生成大量的高压水蒸气,把高压力的水蒸气引入气缸,从而推动活塞工作,实现曲轴的旋转,对外输出机械动力。蒸汽机首先在英国的纺织业中得到推广应用,随后在采矿、轮船、车辆等各行业如火如荼地展开,它极大地促进了工业化国家生产力的发展和经济增长。
蒸汽机的特点是燃烧和做工设备是分开的(锅炉和气缸各自独立),这样热效率非常低下,除了设备体积庞大笨重外,燃煤消耗大,还会造成严重的空气污染。
这时候人们就有了一个设想,如果将锅炉功能并入气缸,直接使用某种燃料在气缸内燃烧产生能量,然后推动活塞运转,从而实现曲轴旋转;这样一来,就能大大提高做功效率,整套设备体积可得以减小很多。这种机器若能发明出来,顾名思义,可称作内燃机,相对应的蒸汽机就算是外燃机了。
由于燃烧在气缸内进行,为了将燃料输送进入气缸,快速燃烧后又能将残留物质排出,使用流体燃料就成了一个必然要求。当时煤化工较发达,人们首先想到用煤气做燃料。煤气的主要成分是比较容易燃烧的一氧化碳、甲烷、氢,其燃烧后生成二氧化碳、水蒸气,可以轻易排出,气缸内就不会有什么残渣遗留。
1858年,法国工程师雷诺发明了第一台煤气发动机。这时的煤气机结构,说白了就是一个小炸弹,煤气和空气在气缸内用电火花引燃,产生的力量推动活塞做功,至于飞轮等其他外在结构则和蒸汽机类似。
1859年,来自比利时的迪安·勒努瓦发明了全球第一台真正意义上的内燃机,它烧的也是煤气,两部冲程做功,但马力小、功率低。
1861年,法国人罗夏首先提出了内燃机四冲程理论,在一个做功过程中伴随着活塞的运动,气缸内要完成吸气-压缩-燃烧做功-排气这四个过程,是一个完整的热力学循环。四冲程理论的出现意味着人类可以利用热力学的知识来设计和优化内燃机。
04 牛人奥托
1863年,德国人奥托也发明了以煤气作为动力的常压引擎,并得到该项发明专利权;接着,他就尝试着将两部冲程的勒努瓦发动机改造成了四部冲程的发动机。经过一年的实验研究,第一台四部冲程发动机诞生了,然而这款发动机的动力虽然有了显著提升,但是他的点火装置却存在着明显的短板,根本达不到预期效果,只好先将它暂搁置一旁。
1864年,资金紧张的奥托与德国工程师兰根合作,创立兰根·奥托公司,他们经过不断试验、改进,于1867年,制造出了世界第一台可以实际使用的二部冲程内燃发动机,这台内燃机除了拥有气缸、活塞、连杆、曲轴、飞轮以外,还配有进出气门,可实现自动连续开、关,这是现代内燃机的最初模型,如今汽车上使用的内燃机基本结构都来于此。该发动机在当年的巴黎国际博览会上斩获金牌,随后开始批量生产,奥托先生至此功成身就,名利双收。
奥托已经可以躺赚了,但他依然没有忘记此前那台四部冲程发送机,因为当下的二部冲程引擎虽然大受欢迎,但是它的功率依然很低,奥拓确信四部冲程引擎如果对燃料与空气的混合物先压缩后点火,就会比任何改进的勒努瓦二部冲程引擎在效率上都要高得多。
为了研制出这种高效的发动机,奥托的团队又继续地干活;1872年,奥托高薪聘请才华非凡、管理经验丰富的工程师戴姆勒,帮助生产发动机,同时创立了“德意志煤气发动机公司”。
戴姆勒也是个技术狂人,31岁的他在1865年就和19岁的绘图、设计高手迈巴赫相识相知,并屡屡提携过迈巴赫。这次,他们两人先后加盟奥托的公司,戴姆勒担任技术大主管,而27岁的迈巴赫则被他任命为设计室主管。
1876年,奥托团队终于将那台集进气、压气、膨胀和排气四个过程于一身的四部冲程发动机研制了出来,单缸、卧式、以煤气为燃料、功率大约为2.21KW、180r/min。在这部发动机上,奥托增加了飞轮,使运转平稳,把进气道加长,又改进了气缸盖,使混合气充分形成。
这是一部非常成功的发动机,其热效率相当于当时蒸汽机的两倍。奥托把三个关键的技术思想:内燃、压缩燃气、四冲程融为一体,使这种内燃机具有效率高、体积小、质量轻、功率大等一系列优点,成为煤气发动机中最为实用的一种。在1878年巴黎万国博览会上,该发动机被誉为“瓦特以来动力机方面最大的成就”。
内燃机的等容燃烧四冲程循环在奥托手里得以实现,因此也被称为奥托循环。奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成,首先活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门进入气缸,关闭进气门,活塞向上运动压缩混合气体,然后在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体,燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动,完成做功冲程,最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。
经不断改进后,这款性能极佳、功效十足的四冲程内燃机,大受市场追捧,在之后的十年间售出了3多万台,成功取缔了老一代内燃机,奥托也因此赚得盆满钵盈。
大获成功奥托的并没有停下脚步,奥托团队在实践过程中,发现煤气作为燃料有一个显著缺点,那就是煤气是气体,密度低,体积大,不易储存,运输成本高,还存在有爆炸危险;更关键的是煤气内燃机的煤气消耗量巨大,同时还要和煤气管道相连,所以它的价值大打折扣。如果能把煤气换成一种液体就能解决掉这些缺点。他的思路是将容易燃烧的液体以喷雾的形式喷入气缸与空气混合作为燃料,这样就能进一步地提升内燃机的效率和应用领域。至于点火方式依然沿用煤气机的电火花引燃。
1878年左右,奥托团队设计制造出世上第一台使用汽油的发动机(汽油机)。汽油机是以汽油作为燃料,其工作过程是这样的:由于汽油粘性小,蒸发快,可以在气缸外部与空气形成均匀的混合气,然后将混合气吸入气缸,或用汽油喷射系统将汽油喷入气缸后气化,经过压缩达到一定的温度和压力后,用火花塞点燃混合气,进而膨胀做功。汽油机的特点是转速高、结构简单、质量轻、造价低廉、运转平稳、使用维修方便。
然而,就在汽油机出现后不久,奥托和戴姆勒就产生了分歧,戴姆勒想将内燃机用在新的交通工具上,但奥托却认为它们应该是用来给工厂提供动力的;同时,奥托也不想让汽油机技术及其运用发展的太快,从而动了他业已十分成熟的煤气机大生意。没成想,这一分歧致使奥托错失了后来更大的生意(汽车)。
道不同不相与谋,1882年,戴姆勒负气出走,创办了自己的公司,随后,迈巴赫也跟随好友而来,他们决心要把奥托引擎应用到交通工具上去。
1883年,戴姆勒发明一种先进的点火系统,使引擎能以700—900转/分的速率运转(奥托引擎的最大速率为180-200转/分),并且还煞费苦心制造出一台重量很轻的汽油机引擎,曾被尝试性地装在轮船、消防船以及其他设备上,效果尚可,就是动力弱了点。1885年,戴姆勒把一台引擎附系在一辆自行车上,由此制造出世界上第一台摩托车。
知道了戴姆勒的成绩后,奥托心中颇有悔意,然而,更让他难受的是,1886年,他因发明四部冲程引擎而获得的德国专利权,被一项专利权起诉给推翻了,原来是法国人罗夏在搞鬼,他在1862年设计出一种基本相似的装置,并获得专利权;但实际上他从未制造出一台能实用的样机,产品也从未见于市场,奥托当时也不了解有关他发明的任何情况,只是学习了他的四冲程理论。不过,奥托公司虽然失去了很有价值的专利权,但是不影响他继续赚钱,他生产的内燃机好卖的不得了,到1891年他去世时,其公司生意兴隆,个人身价大几百万。
奥托虽然不是唯一一个内燃机发明者,但是他的一生都在致力于推动内燃机事业的发展,他和他的四部冲程发动机成功影响了整个世界,时到今日,全球99%的汽车中,所用的都是根据奥托循环原理制成的发动机。
还是在1886年,戴姆勒和他的团队首次将汽油发动机安装在四轮马车上,做成了著名的“汽油马车”,戴姆勒和迈巴赫非常看好这个电动交通工具的巨大潜力;然而,有个叫卡尔·本兹的人,却抢先他一步,在其之前的几个月,就制造出了他的第一辆汽车,也是世界上的第一辆汽车,不过是辆三轮汽车。
05 奔驰汽车
让我们看看卡尔·本兹是如何一举成名的。
1872年,28岁的本茨举债和朋友合作,创建了本茨铁器铸造和机械工厂,专门生产建筑材料。由于受到经济不景气的影响,工厂成立之后面临倒闭。无力偿还朋友借款的本茨在穷困潦倒中,决定制造可以获取高额利润的发动机作,以此人生的转机。
本茨通过学习,很快弄懂了发动机到底是咋一回事,还领到了制造四冲程发动机和双冲程发动机的生产执照。经过一年多的设计与试制,本茨革新了发动机的构造, 可避免之前容易出现的爆炸危险。
1879年12月,本茨制造出其第一台单缸煤气发动机(转速为200转/分,功率约为0.7千瓦;1千瓦=1.36马力)。但这台发动机并没多少新意,市场反响一般,破产的威胁依然时刻存在。不服输的本茨德国人,并没有被清贫打倒,依然砸锅卖铁继续他的发动机梦。
1886年1月,本茨终于研制出相对可靠的单缸汽油发动机,并成功把它安装在三轮车架上,这辆不用马拉的三轮车(现保存在慕尼黑的汽车博物馆)成了世界上的第一辆汽车,并于1886年1月29日立案获得专利,领先戴姆勒成功造车仅几个月时间,堪称大幸运。
该车装有卧置单缸二冲程汽油发动机,785cc容积,0.68匹马力,转速不高,力气不大,每小时仅能行走15公里。该车前轮小,后轮大,发 动机置于后桥上方,动力通过链和齿轮驱动后轮前进。该车已具备了现代汽车的一些基本特点,如电点火、水冷循环、钢管车架、钢板弹簧悬挂、后轮驱动、前轮转向和制动手把等,其齿轮齿条转向器是现代汽车转向器的鼻祖。正因这些大一统的成型车设计、制作成功,1月29日被公认为是世界汽车诞生日,1886年为世界汽车诞生年。
06 史上第一位驾驶员
由于该车的性能还未完善,发动机工作时噪音很大,而传递动力的链条质量不过关,常常发生断裂,本茨的汽车总是抛锚,只好人力推车回工厂修理。在那个马车的时代,汽车受到人们的嘲笑,被斥为"散发着臭气的无用怪物",以至于到了后来,本茨怕出洋相,根本不敢在公共场合驾驶它,眼看着辛苦多年的造车计划就要夭折了,本茨整天忧心忡忡。
知夫莫若妻,关键时刻,本茨夫人贝尔塔勇敢站了出来,她要亲自做一次历史性的伟大尝试,以此表达对丈夫的支持,更要给爱人予信心。俗话说"每个成功男人的背后,都有一名伟大的女人",本茨夫妇确实如此,创业初期,没有工场也没有资金,贝尔塔变卖了自己的嫁妆和首饰,毫无怨言地支持本茨的研究,多年来,一家人互相扶持、陪伴,度过了一个又一个的艰苦日子。眼看就在成功边缘了,怎能半途而废。
1888年8月,某天的凌晨时分,本茨还在梦乡中,贝尔塔就唤醒两个孩子,把新发明的三轮汽车推了出来,然后发动马达,向140多公里之外的普福尔茨海姆进发,目的是检验车子性能,顺便前往探望孩子的祖母。
要知道,当时全世界还没有任何一辆汽车跑过这么远的路程,本茨夫人能成功吗?路上有遇到了哪些突发状况?
本茨汽车离开曼海姆市不久,天就渐渐亮了,马路两旁早起的人们一听到其怪异的响声,都从窗口伸出头看这个"飞奔"的怪物;有的人还壮着胆子走近它,但一闻到汽油机那难闻的气味又快速走开了。行驶了14公里,燃料烧完了,只好到一家药房多购买些粗汽油使用;行驶70公里后,被一个陡坡拦住了去路,只得由小儿子驾车,贝尔塔和大儿子在车后推,终于把汽车推过陡坡;后来,发动机的油路堵塞了,本茨夫人就用发针把它修通;又有电器设备发生短路,只好用袜带作绝缘垫隔开。直到日落西山,母子三人才又饿又累到达目的地。
孩子的祖母见到他们及汽车,惊叹不已,小城的人也都跑出来围观这个从未见过的"怪物"。
兴奋的贝尔塔立即给丈夫拍了个电报:"汽车经受了考验,请速申请参加慕尼黑博览会。"
本茨接到电报后,两手发抖,几乎不相信这是事实,但妻子确实驾着自己发明的三轮车到了百公里外的普福尔茨海姆。本茨太太因为这次历史性的试驾驶,被称为世界上第一位汽车驾驶员。
同年9月12日的慕尼黑工业博览会上,本茨的汽车驾行引起了轰动,当时的报纸兴奋地报道:"星期六下午,人们怀着惊奇的目光看到一辆三轮马车在街上行走,前边没有马,也没有辕杆,车上只有一个男人,马车在自己行走,大街上的人们都惊奇万分。"
07 柳暗花明
慕尼黑博览会后,大批喜欢尝鲜的有钱人开始向本茨订购汽车,本茨也不断改进技术,引入4冲程发动机,增加动力;1893年,本茨研制成功了性能先进的"维克托得亚"牌汽车,它采用本茨专利的3升发动机,方向盘安装在汽车中部。该车为本茨带来了极高的荣誉,但在经济上并没有给他多大的好处。由于售价高达价格高达3875马克,很少有人买得起,它反而成为滞销品,不过这也显示了本茨走高端产品路线的初心。
为了救急,本茨听从商人们的建议,于1894年开发生产了便宜的"自行车"(定价2000马克);这种"自行车"销路很好,在一年时间内就销出了125辆,给本茨带来了不错的利润。有了钱的本茨,又对前期生产的'维克托得亚'牌汽车进行改进,将车厢座位设计成面对面的18个,它因此成为了世界上的第一辆公共汽车。
1899年,本茨汽车公司改组为本茨莱茵汽车股份有限公司,成为了当时世界上最大的机动车生产厂家。同年,本茨还制造出世界上的第一辆赛车。
1906年本茨和他的两个儿子在拉登堡成立了本茨父子公司,全力打造自己的汽车事业,本茨汽车很快成为世界著名品牌,而它在中国的名字就是大名鼎鼎的"奔驰"。
本茨这边热火朝天的干着,戴姆勒和伙伴迈巴赫也没闲着,他们也一直致力于将内燃机投入到交通领域上使用,并且和本茨一样,都取得了非常大的成功。
1889年,戴姆勒的“辐条车轮轿车”在巴黎的世界展览会上与公众见面,这款轻量级四轮车装备了V2引擎和分级变速器。1890年,戴姆勒(DMG)公司成立,戴姆勒任监管会代理主席,迈巴赫任也进入公司管理层。随后,他们设计出一款高效的发送机,命名为PhoeniX(凤凰)。但好事多磨,由于开拓市场方面欠缺火候,DMG面临破产清算,戴姆勒和迈巴赫不得不另谋高就。
幸运的是,1885年,英国工程师弗雷德里克·理查德·西姆斯,以35万马克的高价购买了Phoenix发动机专利使用权,使DMG免遭破产,戴姆勒和迈巴赫得以起死回生,到了这年年底,DMG共生产了1000台Phoenix引擎,并销售一空。
DMG幸运存活后,戴姆勒他们不断优化设计、改进技术,日子变得红火起来;1896年,戴姆勒发明了一辆由机械动力替代马匹来驱动的四轮卡车,这种全新的公路货物运输工具宣告了世界上第一辆卡车正式诞生,由此开启了运输的黄金时代。
实际上,这第一辆卡车看上去很像没有车辕的马车,位于后部的发动机替代了原来的马匹,驾驶员的位置在前轴前方,露天的座椅安装在车厢上。驱动这辆卡车的是一款排量仅为1.06升的双缸发动机,最大功率仅有4马力,有效载荷为1.5吨,它在当时那个铁路网络覆盖不广、马车速度和运力十分有限的年代里,发挥了重要作用。但想让机械卡车最终取代马车,显然还有很长的路要走,这是后话了。
1907年,迈巴赫由于和公司管理阶层因利益关系产生纠纷,他的总工程师的职位被别人取代,工作活动也被限制。于是,他愤然离职,和儿子卡尔·迈巴赫自组创业,也大获成功;由此诞生了后来威名赫赫的迈巴赫跑车。
1926年,两大汽车巨头本茨汽车公司与戴姆勒的汽车公司合并,成立了后来举世闻名的戴姆勒-奔驰公司。遗憾的是,此时戴姆勒早已去世,而本茨也已经是82岁高龄了,更不可思议的是这两位汽车发明巨匠,虽然分别居住在相距仅80km的两座小城内,但不知出于什么原因,他们一生却从未谋面过,这成为汽车史上的一大憾事。
08 柴油机诞生
汽油发动机在奥托、戴姆勒、本茨、迈巴赫等人的加持下,发展迅速,这边厢的柴油发动机研制也取得了较大进展。
1885年起,德国人狄塞尔深感蒸汽机、煤气机动力不够,便开始了新型发动机的研究;1892年,他正式提出了压燃设计概念,并着手进行设计、制造发动机。
刚开始,内燃机里烧的是煤粉,没有冷却装置,效果不好,且事故频频;经过不断试验后,改成烧柴油,并由水冷却;1896年,狄塞尔的柴油机试验成功,功率达到14瓦特,远远超过当时的蒸汽机和已经发明的奥拓发动机,这又是一次新的科技革命诞生了。
柴油由于燃点高、黏度大,较难和空气形成混合物,因此无法用电火花点燃;狄塞尔采用了压燃方式,在柴油机内,柴油与空气的混合物在活塞的作用下加压、升温,最后达到柴油的自燃点而发生燃烧。狄塞尔的柴油机,由于油耗低,并可使用劣质的燃油,当时就显示出辉煌的发展前景。不过,由于柴油采用压燃技术,一般柴油机体积都比较大,在大型机械和车辆上使用较多,最出名的就是如今的柴电潜艇。
尽管狄赛尔在科技上取得了很大成功,但他的个人生活却并不幸福。他的发明受到对手的非难和排挤。另外,虽然他在当时可称得上百万富翁,但由于他后来玩股票玩砸了,输了很多钱,经济上渐渐陷入了困境,导致神经衰弱严重。 1913年9月29日,仅仅55岁的狄赛尔乘船通过英吉利海峡时,不幸神秘失踪。对此,一般的看法是他投海自尽,也有人推测他是被石油工业的人蓄意谋杀掉,据说那时狄赛尔脑子里已经有了用生物汽油制造发动机的想法。
需求决定发展,汽油机和柴油机的出现,使得石油的各个馏分都有了用武之地。随着内燃机的大规模应用,从20世纪开始,石油冶炼行业开始大规模发展,最终为石油化工的大繁荣埋下了伏笔。
09 美国崛起
前头讲了半天关于内燃机、汽车的故事,都是德国人在不亦忙乎,那美国人难道都在闲着吗?当然不是。
1892年,美国人杜里埃发明了化油器,它具有油气控制准确、成本低、技术简单、维修容易等特点,直接促进了发动机的技术进步。(注:我国2000年后,全部改用更环保、高效的电喷发动机了)
1896年,美国人亨利·福特创造了他的第一辆车。1903年,莱特兄弟进行了飞机的第一次飞行(后来,石油也被用于飞机燃料);也是在这一年,福特汽车公司在美国成立。
1907年,在美国的圣路易建立了全世界第一座汽车可以驶入的加油站。
1908年, T型福特汽车问世,用的是汽油发动机;到了1911年,福特汽车的第一条流水线投入使用,每辆T型汽车的组装时间由原来的12小时28分钟缩短至90分钟,生产效率惊人地提高了8倍!产能的剧增,成本的大幅降低,使得汽车大众化成为现实。光T型福特汽车前后就卖了1400万辆,可谓是天文数字。
1915年左右,美国的汽车产量达到了20万辆,这时候.汽油在美团的销售量第一次超过了煤油。1914到1920年间,在美国注册的机动车数量从180万辆增至920万量。同时,随着1914年第一次世界大战的爆发,石油也开始在坦克,战舰,轰炸机等军事领域中普及应用。
随着全球汽车业的爆炸性发展,汽油的需求也随之猛增,石油产量进入了第二波更加凶猛的爆发期。
10 石油寡头
在长达50几年的两波石油大红利中,赚得最欢的无疑是美国的洛克菲勒。
早在19世纪60年代初,目光犀利的洛克菲勒,利用早期在农产品上赚到的钱,开始大笔举债建炼油厂、开发石油产品,为了能够更好的销售产品,洛克菲勒先低价出售、后免费赠送煤油灯,吸引顾客到他处买油,没几年,就发了大财。
1870年,洛克菲勒在俄亥俄州与人合办标准石油公司,在此后不到两年时间,共吞并了该地区20多家炼油厂,控制该州90%炼油业、全部主要输油管及宾夕法尼亚铁路的全部油车。至1879年,标准石油公司炼油产能占全美国的95%,控制了全美90%的输油工业路线,以及占整个美国市场25%的原油产量。不过,在这时期,汽油价格从每加仑88美分下降至5美分,价格战消灭了为数不多的竞争对手。
1882年,洛克菲勒创建了美国第一个高级垄断组织托拉斯,几乎垄断了全美国的炼油工业和油管生意;美国的煤油出口总量中有90%出于标准石油公司,且占据了大部分的欧洲煤油市场。标准石油公司一举成为全球最大的石油公司,洛克菲勒成为全球名副其实的石油大亨。
举一个洛克菲勒发大横财的例子。
1885年,美国印第安纳州发现了利马大油田。利马的原油叫“酸油”,含硫比较多。用它炼制出来的煤油,点灯时会发出一种像臭鸡蛋那样的味道,因此不受欢迎。石油大王洛克菲勒独具慧眼,大量低价买进利马原油,请来出生在德国的化学家赫尔曼弗拉希,帮忙解决脱硫问题,还很痛快地为他在惠廷炼油厂建立了实验室,这是世界上第一家石油技术研究机构。弗拉希在他自己的安大略小炼油厂遇到过同样问题,因此解决问题的动力非常足。
经过不断试验,弗拉希弄清楚了臭味来自原油中的硫化氢,于是发明了一种用氧化铜作为催化剂的脱硫工艺,他用15吨氧化铜处理了5000桶(约683吨)的煤油。随后,标准石油公司在惠廷炼油厂建立了脱硫装置,使利马的“酸油”变成了“甜油”,洛克菲勒因此而大赚特赚。
洛克菲勒为了避免油价大起大落对自己的生产链条造成巨大破坏,于是就有意地牢牢控制住石油价格,在1879年至1911年长达32年的时间里,原油价格始终处于低波动状态,最低价格为1892年的0.56美元/桶,最高价为1895年1.36美元/桶,波动幅度不超过90美分。
如此一来,洛克菲勒赚足了产、供、销链条上的所有利润。1910年,洛克菲勒的个人财富达10亿美元,他创办的标准石油公司在鼎盛时期市值约70亿美元左右,相当于今天的2.8万亿美元,完全可以吊打苹果、沙特阿美、特斯拉等巨头。
洛克菲勒的石油垄断行为,已严重影响到了石油产业的正常发展,动了太多人的利益,引起公愤。1911年,美国最高法院裁定将标准石油公司划分为39家小公司,以防止石油行业的垄断。可悲的是,垄断行为直到今天也没能和石油真正地分开过,中外皆如此,区别仅在于是国家垄断,还是寡头垄断;百年来,石油犹如风骚美女时刻撩惹着全球消费者的神经。
11 技术大跃进
对石油巨额利润的渴求,一直都是科技进步的重要动力。市场对汽、柴油等的需求迅速增长,促使人们思考怎样能从单位原油中提炼出更多的汽油等值钱产品来?
当时石油产量能够大幅增长,首先要归功于瑞典人诺贝尔,就是发明炸药、设立诺贝尔奖的那个人。在19世纪80年代初,诺贝尔采用俄国大化学家门捷列夫(1834-1907)的发明,在其阿塞拜疆巴库的石油工厂里,上马了连续蒸馏装置结构,终结了原先间歇式生产煤油的历史。
以前的蒸馏工艺,都是往蒸馏锅(釜)里注入原油加热,油蒸汽出来后,再冷凝蒸馏锅,把留在釜内的残余油渣清理出去,然后才可以蒸馏第2锅,生产效率低,成本高。
美国的标准石油公司直到19世纪90年代才开始采用连续蒸馏。不过,这并不影响它之前的赚钱速度。
连续蒸馏技术很快传遍各大产油国,随后俄国、波兰、罗马尼亚、等国家产量也开始飞速增长,到1898年俄国以860万吨的石油产量第一次超过了美国的738.2万吨产量,不过,到1902年美国的产量又恢复到了世界第一,并长期保持。
总结下,石油在当时之所以能快速作为工业燃料而崛起,主要在于它具有以下优点:
第一、热效率高。1千克煤可以产生2500万焦的能量,而1千克的石油可以产生4000万~5000万焦的能量。更高的能量密度使石油成为交通工具的首选燃料。
第二、运输方便,补给顺畅。相对于煤炭,石油及其产品装卸快捷省力,容积场地可大可小,可桶装便于交易、携带。
第三、石油储量大,来源有保证,关键还在于石油提炼工艺简单,只要达到一定的分馏温度就可以得到石脑油、汽油、柴油等。
石油提炼技术在高额利润刺激下,不断得到突破、提升、改进。这方面第一个突破是热裂化。
热裂化的发明者是美国的威廉M伯顿。伯顿当时是印第安纳标准石油公司的高管、董事。他和同事通过试验,确信在高温、高压下生产出“合成汽油”是可行的,安全的。为此他打报告建议上100套工业化的、容量为8000加仑的热裂化釜。但是,当时印第安纳标准石油公司还是洛克菲勒的标准石油公司的子公司,而母公司正被“反托拉斯法”的官司弄得焦头烂额,董事会里有些人也担心高温、高压会导致像锅炉那样的爆炸,没有批准他的建议。
1911年,标准石油公司被迫解体,印第安纳标准石油公司独立了出来。伯顿借机建成了世界第一座半工业化的热裂化装置。其蒸馏釜直径8英尺(2.44米)、高10英尺(约3.05米),处理量150桶(约20吨)。当时热裂化的原料油是原油“拔头”出来的瓦斯油,最初得到的馏分油约占原料油的25%~30%,很快提高到65%~70%,而汽油的最终采收率约50%,足足提高了一倍多。
1913年1月7日,伯顿将热裂化工艺的专利权转让给其所在的公司,公司最高层决定,投资100万美元,在惠廷炼油厂建造120台热裂化装置。热裂化工艺显示了很大的优越性,新装置在许多地方建立起来,汽油产量几何级飙升,满足了飞速发展的汽车加油需要。
1914年,伯顿曾经的助手克拉克,从卧式蒸汽锅炉想到可以把热裂化釜做成管式的,随后这项发明获得了专利权,即克拉克管式炉,伯顿立即把它纳入了热裂化的设计,在伍德河炼油厂建立了第一套热裂化管式裂解炉,处理量可以增加几乎一倍,而且更加安全。
这项技术转让给了14家炼油厂。从1914年到1919年,印第安纳标准石油公司的技术转让费收入高达1100万美元。公司高度评价伯顿他们的贡献。到1927年,伯顿得到40万美元的奖励,克拉克也得到20万美元。
但是,克拉克管式炉仍然是间歇式的操作;1921年以后,连续式的热裂化工艺诞生,并得到大面积推广。
1937年,法国工程师兼工业家尤金·胡德利发明了催化裂化技术,催化裂化工艺的诞生是炼油工艺技术的非常重要的成就。所谓催化裂化,就是在催化剂作用下进行的裂化反应,同热裂化相比,轻质油的产率更高,汽油的辛烷值更高,柴油的安定性也比较好,并且同时产生大量富含烯烃的液化气,也是很好的有机化工原料。直到现在,催化裂化仍然是几乎所有炼油厂主要的二次加工工艺。
1941年2月11日,新泽西标准石油公司宣布,开发成功了流化催化裂化工艺,使催化剂同原料油、产品、烟气分别在反应器、再生器内向上流动,从顶部排除后再分离。
在接下来的日子里,石油提炼工艺不断得到改进,目的就是为了提高固定单位产量,生产并改善各类石化产品品质。石油除了主要用于提炼各种油品外,也成了化学基础原料的主要来源,如:如乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯、苯、甲苯、二甲苯、萘、甲醇、甲醛、乙醇、乙醛、醋酸、异丙醇、丙酮、苯酚等等,而这些东西可是塑料、化肥、衣料等化工品的的基础原料。
内燃机的发明拯救了整个石油行业,原来只是石油提炼煤油过程中的多余副产品石脑油、汽油、柴油因其高效、安全的燃烧等优点,和内燃机成了绝配,完成了废物变宝的华丽转身,同时,更是促进了全球石油化工产业的大规模发展、应用。石油一跃成为20、21世纪最重要的能源、原料,被理所当然地被称为“工业血液”、“液体黄金”。对石油的争夺和控制,成为决定国际事务、影响世界历史变迁的主要因素之一。
汽油需求的急速增长倒逼了石油生产的迅速跟进,在石油开采过程中,科技进步总是紧密相随,科技的进步,又让更多的油田出现在世人面前。
1924年,美国人L.C.Uren撰写的《石油开发工程》出版,作为世界上第一部阐述油田开发的著作,这标志着石油工程开始正式成为一门科学。1919年德国人Ludger Mintrop发明了地震波勘测法,
1941年苏联用涡轮钻具钻成第一口定向斜井。
1947年美国出版世界第一部油藏工程专著《油藏工程原理》。
1962年,壳牌石油公司,研制出世界上第一艘半潜式钻井船“碧水一号”,深海采油变成现实。
1963年埃克森公司提出三维地震勘探技术概念。……
1904年,伊朗产出中东第一批原油,1927年在伊拉克发现了中东第一个大油田——Kirkuk大油田,中东石油帝国序幕由此拉开;1938年在科威特、沙特相继发现特大油田。1959年,利比亚发现第一批油田……。中东虽然不是世界上最早发现石油的地方,但中东已成了迄今为止全世界最大的石油产地,也是国际麻烦最多的地区。
在紧盯陆上石油的同时,人们也没忘记海底了的石油;1897年,在美国加州开钻出世界上第一口海上钻井,之后的几十年里,墨西哥湾、英国北海等油田相继被开发出来。
12 此消彼长
蒸汽机的出现,加速了18世纪开始的产业革命,促进了煤炭的大规模开采。1860年,煤炭在世界一次能源消费结构中占24%,世界由此进入了“煤炭时代”,到了1920年该占比上升至巅峰的62%。
随着电力代替蒸汽机,电器工业迅速发展,煤炭在世界能源消费结构中的比重逐渐下降。而石油则随着汽车普及,和原油的深度冶炼成各类基本化工产品,石油消耗量高速增长。1965年,石油首次取代煤炭,占居了世界一次能源消费结构中的首位,世界由此进入了“石油时代”。该年,石油在世界一次能源消费当中占比41%,天然气占比19%,煤炭占比38%。
1979年,世界能源消费结构的比重是:石油占54%,天然气和煤炭各占18%,油、气之和高达72%。
截至2020年,世界能源结构的比重:石油31.2%,煤炭27.2%,天然气24.7%、可再生能源6.9%、核能4.3%。50多年过去了,石油依然稳占霸主之位,不过,这过程中充满了各种不堪!
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