Týdeník Českých drah - ŽELEZNIČÁŘ

Voda jako palivo

Už každý absolvent základní školy ví, že chtít spalovat vodu je stejný nesmysl jako chtít topit popelem, neboť obojí už je konečným produktem hoření. Takže pokud právě saháte po telefonu a chcete volat do Bohnic primáři Chocholouškovi, plně vás chápu, ale zkuste ještě chvíli posečkat.

Když mě před 30 lety požádal soused, zda bych mu nesehnal injekční jehly různých průměrů, protože jimi hodlá přisávat vodu do gumové hadice sání svého embéčka, aby ušetřil palivo, tak jsem na něj také nevolal hned Bohnice, neboť jsem vzpomněl, že kdysi i můj vyladěný skútr Čezeta 175 na mé zkušební rovince jezdil nejrychleji právě po dešti, což mi bylo vždy záhadou.

A až mnohem později jsem se dozvěděl, že kdyby totéž neudělali letečtí konstruktéři motorů spojeneckých bombardérů za 2. světové války, tak by s maximálním nákladem bomb a plnými nádržemi tyto bombardéry bez vstřikování vody do sacího traktu svých motorů patrně vůbec nevzlétly a já bych vám teď o tom asi nemohl ani psát (alespoň ne v češtině).

Ale možná i vy si ještě pamatujete, jak babička, pokud pálila v kamnech mour, tak ho vždy vlhčila, a „Ostravaci“ si jistě ještě dobře pamatují doby, kdy před každým barákem byla na ulici halda mokrého mouru – uhelných kalů, se kterými se celou zimu topilo.

Tento článek jsem napsal právě proto, abych uvedl na správnou míru některé fámy a upřesnil znalosti o úloze vody ve spalování, které, jak se stále více přesvědčuji, jsou obecně opravdu chabé. Mohou pak být příčinou nejen ztrát energetických, ale i ztrát na životech, jako v případě parních lokomotiv řady 555.3 přestavěných na počátku šedesátých let z uhlí na mazut, a proto přezdívaných „mazutky“.

Takže jaká je pravda? Opravdu lze vodu bez problémů spalovat a ještě tím získávat energii?

Úloha vody ve spalovacím vzduchu

Nejprve si vyjasníme úlohu vody ve spalovacích motorech. To, že vstřikování vody do sacího traktu těchto motorů může zvýšit jejich výkon, je pravda. Vysvětlení je prosté – vstřikovaná voda totiž při svém odpařování ochladí spalovací směs, která tak rapidně sníží svůj objem, takže jí potrubím a ventily může projít za jednotku času více a také se jí vejde více do válců – a čím více paliva projde motorem za jednotku času, tím má motor vyšší výkon.

To bylo zvláště pro bombardéry velmi důležité, neboť spalovací vzduch od kompresorů, které letadla oproti autům používají již dávno, byl velmi teplý a paliva by se do něj už moc nevešlo. Po startu se vstřikování vody vypínalo, neboť ve výšce byl vzduch studenější a už nebylo třeba tak velkého výkonu pro vodorovný let. Palivo se tímto postupem samozřejmě ale ušetřit nedalo (spíše naopak, neboť samotného spalování se tato voda, resp. pára, nijak neúčastnila), krátkodobě zvýšit výkon až o 20 % ale ano, a o nic více v tomto případě nešlo.

Voda a kapalná paliva

Že by se záměrně přidávala voda přímo do kapalných paliv, mi není známo, už z jednoduchého důvodu – voda se totiž v ropných palivech nerozpouští a pokud se už do jejich nádrží nějaká vlhkost dostane, vysráží se okamžitě díky své vyšší hmotnosti na dně nádrže, kde je však zpravidla umístěn i výtok. Spalovací kotle tak samozřejmě bez přívodu paliva přestanou hořet, spalovací motory s karburátorem se postupně úplně zastaví, neboť voda se v karburátoru neodpařuje, a tudíž nevytváří zápalnou směs, u motorů se vstřikovacím čerpadlem nastane jen snížení výkonu a motor má nepravidelný chod z nedostatku paliva.

V zimě však všem vozidlům hrozí navíc ještě zamrznutí palivového systému, jehož nepříjemné následky většina motoristů z dřívějška velmi dobře zná. Takže i zde se dělá vše pro to, aby se žádná voda nebo vlhkost do nádrží či palivového traktu nedostala.

A co uhlí?

U něj je situace poněkud jiná, neboť voda, resp. pára, se zde skutečně může účastnit i samotného spalování. Že to možné je, se ví již po staletí díky hutnictví železa, které v době, kdy ještě těžba a přeprava zemního plynu nebyla na dostatečné úrovni či nebyla vůbec žádná, potřebovalo vysoce výhřevné plyny, a ty získávalo zplyňováním zpravidla uhlí nebo koksu, kdy se na rozžhavenou vrstvu paliva přiváděl vzduch s vodní párou, díky níž docházelo k reakcím C + H2O = CO + H2, popř. C + 2H2O = CO2 + 2 H2, která chudý plyn obohatila o vodní plyn a vytvořila z nich generátorový (též smíšený) plyn s výhřevností 5,86 MJ/m3, zatímco samotný vodní plyn má spalné teplo dokonce až 11,7 MJ/m3!

Bylo by to senzační, kdyby to, jak už to bývá, nenarušovala jedna vrcholně nepříjemná skutečnost – totiž, že na výrobu tohoto topného plynu se spotřebuje všechna energie z původního paliva, takže jde vlastně jen o změnu chemického složení, respektive skupenství této energie (z pevného na plyn). Takže sice tehdy nadmíru potřebná věc, ale opět žádný zázrak. A tak babičkám i „Ostravakům“ šlo nejspíše jen o to, aby mour nevylétl při prudkém hoření hned až do komína. Voda zde byla pravděpodobně především jen retardérem prudkého hoření a ve skutečnosti zvyšovala účinnost spalování mouru jen tím, že nevylétl jako nedopalek komínem. Ale zaplaťpánbůh i za to.

Jaká je situace u biomasy?

Ta se sice také běžně zplyňuje, ale na rozdíl od uhlí vždy bez přívodu vodní páry a též i vzduchu, jinak totiž začne hořet. I zde ale pokusy na jedné straně dokázaly, že nepatrný přídavek vodní páry do plamene z hořící (zcela) suché biomasy zlepšuje proces prohoření plynů, tedy účinnost spalování, na druhé straně ale dle praktických pokusů obsah vody v palivu nad 15 % snižuje výrazně účinnost topeniště.

Takže se nejprve podívejme na kvalitu běžného palivového dřeva. Po pokácení má dřevo vlhkost 50 až 60 % a tomu odpovídající výhřevnost kolem 7 MJ/kg, po létě na krytém místě se jeho vlhkost sníží až na 25 % a jeho výhřevnost zvýší na 12 MJ/kg a za další rok lze snížit jeho vlhkost až na 15 % a tím zvýšit jeho výhřevnost i přes 15 MJ/kg, tedy více než dvojnásobně, takže spotřeba paliva je pak sotva poloviční. A to je ten hlavní argument (kromě lepších emisí) pro spalování pouze suchého dřeva.

Tragický omyl při spalování mazutu v lokomotivách

Obrovské nebezpečí však hrozí za určitých podmínek při spalování mazutu. Mazut je zbytek, chcete-li odpad, který vzniká na konci destilace ropy a je samozřejmě silně hořlavý s dobrou výhřevností, tedy na první pohled jde o levné palivo. Problémem je ale jeho skupenství, neboť při běžných teplotách jde o silně viskózní kapalinu, kterou je třeba k její dopravě na místo určení dostatečně zahřát, aby vůbec tekla. Ve velkých průmyslových výtopnách se mazut nejprve dostatečně zahřeje a pak se samotný již jako kapalina přivádí do velkých mazutových hořáků. S jeho spalováním tady není žádný problém.

Ten nastal až u německých lokomotiv řady 555.0, tzv. němek, které v rámci válečných náhrad po stovkách zkonfiskoval Sovětský svaz poraženému nacistickému Německu a odvezl si je. Ty se samozřejmě používaly za druhé světové války a po ní i v ostatních státech, které byly okupovány nacistickým Německem, tedy i v našich zemích. Tyto jinak výborné lokomotivy měly snad jedinou nectnost, a to, že spalovaly stejně jako všechny ostatní uhlí, a v Sovětském svazu počátkem šedesátých let minulého století měli dostatek levnějšího mazutu. Proto jich velkou část přestavěli na mazut, přičemž bylo nutné především předělat jejich topeniště.

Rošt na uhlí již nebyl třeba, naopak ale bylo nutné zvětšit a zesílit šamotovou vyzdívku topeniště, aby snesla žár dvou mazutových spalovacích trysek – menší pro pohotovostní režim, když lokomotiva stála, a větší pro jízdu na plný výkon. Jízdní vlastnosti takto přestavěných lokomotiv, kterým se začalo říkat „mazutky“ (u nás řada 555.3), se touto přestavbou podstatně zlepšily – nejen pro jejich větší hmotnost a s tím spojenou větší adhezi, ale především pro možnost trvalého využití plného výkonu parního stroje, který již nebyl závislý na intervalovém přikládání uhlí, kdy před a těsně po přiložení již nebyl k dispozici plný topný výkon kotle, zatímco mazutové hořáky mohly topit neustále na plný výkon.

Vlaky tažené „mazutkami“ utáhly více vagonů a nezapalovaly jiskrami lesy a pole, což se líbilo i našim soudruhům, a tak objednali v letech 1963 až 1966 tuto přestavbu v Sovětském svazu i pro naše lokomotivy této řady a dalších pár desítek jich ještě dostali navíc.

Byl to však danajský dar. Již po pár měsících jejich provozu vyletěla jedna z lokomotivního depa Bratislava do povětří i s osádkou a záhy na to další z lokomotivních dep v Brně a ve Zdicích. Byla sice ihned ustavena vyšetřovací komise Ministerstva dopravy, která měla zjistit příčinu těchto tragických událostí, pravou příčinu se ji však odhalit nikdy nepodařilo a „mazutky“ se tak stávaly pro železničáře postrachem.

Protože šlo o „sovětský zlepšovák“ – jak jinak v té době – vše se oficiálně svádělo na chybu lokomotivních čet, že nedostatečně kontrolovaly hladiny vody v kotli, ale pro jistotu tyto přestavěné lokomotivy „mazutky“ byly v tichosti posílány postupně na „periodickou opravu“, ve skutečnosti však šly přímo do šrotu, zvláště po té, co se dodatečně zjistilo, že těmto lokomotivám vybuchují kotle i v Sovětském svazu, jen nám to jaksi sovětští soudruzi zapomněli včas říci.

Co však bylo skutečnou příčinou jejich explozí? Rozhodně ne nedbalost lokomotivních čet, jak to bylo v té době prezentováno, to by totiž muselo k podobnému nebezpečnému přehřátí kotle docházet i u ostatních nepřestavěných lokomotiv vytápěných uhlím, kde v těchto případech tzv. olovníky (duté šrouby ve stropě topeniště vyplněné slitinou cínu a olova) po vytečení roztaveného olova vpustí proud vody s párou z kotle přímo na rozžhavené uhlí na roštu a spolehlivě ho ve chvilce uhasí, lokomotivu pak odtáhnou do depa, vymění olovníky a zase může vesele dál tahat vagony. Že to tak nefungovalo i u „mazutek“, bylo zapříčiněno nešťastnou souhrou několika okolností a především neznalostí základních fyzikálních zákonitostí a procesů.

Přestavbou jejich topeniště totiž došlo k tomu, že nejteplejší oblast spalování se přesunula z velké plochy rozžhaveného uhlí na roštu na dně topeniště o půl metru výše a na relativně malý prostor plamene mazutových hořáků, který byl však o to teplejší. Zvýšení teploty topeniště dále přispívala též jeho vyšší a silnější šamotová vyzdívka, což spolu s možností trvalého, kontinuálního maximálního výkonu kotle vedlo k dalšímu posouvání nejteplejší oblasti spalování směrem ke stropu topeniště lokomotivy, a tudíž k jeho přehřívání.

Sovětští konstruktéři s tím možná i počítali, ale uklidňovali se, že v nejhorším vytečou olovníky a voda s párou uhasí plameny mazutového hořáku stejně spolehlivě, jako vždy uhasila hořící uhlí, takže žádná tragédie nemůže nastat. Bohužel už mezi nimi ale nebyl žádný odborník na zplyňování uhlí, neboť se tou dobou již používal přímo zemní plyn a nebylo třeba pracně a se ztrátami zplyňovat uhlí. Možná proto si nikdo nevzpomněl na tu výše uvedenou nešťastnou rovnici (viz kapitolu „A co uhlí?“), natož aby ji aplikoval též na spalování mazutu a domýšlel její možné negativní dopady při přestavbě kotlů starých německých lokomotiv.

Takže nikomu ani nepřišlo podezřelé řešení, jak dostat v lokomotivních podmínkách mazlavý mazut až do topeniště, totiž vstřikovat ho do hořáků pomocí přehřáté páry, o kterou nebyla na lokomotivě nouze. Při styku horké páry s mazutovým plamenem však pravděpodobně docházelo k výše uvedené masivní tvorbě tzv. chudého vodního plynu, které spolu vytvořily velmi výhřevný tzv. generátorový plyn, který sice nevydal více tepelné energie, než měl přiváděný mazut, ale díky svému plynnému skupenství opět posunul oblast hoření ještě výše ke stropu topeniště.

Výsledek všech těchto skutečností byl tragický. I při dodržování všech provozních předpisů tak u „mazutek“ nutně muselo občas dojít k masivnímu přehřátí stropu topeniště a k vytečení olovníků. U lokomotiv na uhlí to lokomotivní četa ihned poznala podle hlučného sykotu unikající páry a samozřejmě už dál nepřikládala, takže se jí dál už nic zlého (kromě odtahu do depa a nižších prémií) stát nemohlo.

Zatímco však uhlí hoří poměrně tiše, mazutový hořák vydává silný zvuk podobný např. autogenovému hořáku a v něm se sykot unikající páry zcela ztratil. Tím však lokomotivní četa ztratila poslední možnost, jak zabránit katastrofě – totiž vypnout mazutové hořáky. Pokud tedy běžely i za této situace nadále na plný výkon, tak je ověřenou skutečností, že proud vody a přehřáté páry z vyteklých olovníků jejich plamen nejen že neuhasil (přičemž je otázkou, zda hlavní proud vody a páry z nich mířil přímo na mazutové trysky), ale dle výše uvedené rovnice se při styku přehřáté páry a mohutného mazutového plamene vytvořil navíc další generátorový plyn, který opět svým plynným skupenstvím posunul nejteplejší oblast plamene ještě výše ke stropu topeniště, který se záhy, zvláště když únikem páry poklesla hladina vody v kotli a obnažený strop topeniště tak přestal být chlazený, katastrofálně přehřál.

Kotlové železo, ze kterého je vyroben, zcela ztratilo svou pevnost a pod tlakem páry se náhle zbortilo do topeniště. Mohutný proud přehřáté páry tak vtrhnul shora do rozpáleného topeniště, kde spolu s tvořícím se generátorovým plynem explodoval a roztrhal topeniště především na té straně, kde nebyl protitlak páry, tedy na straně osádky, která tak neměla nejmenší šanci na přežití ať už z důvodů mechanických účinků exploze, či masivního popálení a opaření.

Vzdávám tímto čest památce takto tragicky zahynulých lokomotivních čet a jsem rád, že se mi tímto vysvětlením možná podařilo po více než 45 letech očistit jejich pečlivou práci.

Z toho všeho vyplývá tedy jediné – vodu (ať ve formě kapaliny, vlhkosti nebo páry) jako palivo v žádném případě nelze doporučit, neboť v běžné praxi snižuje vždy účinnost spalování a v některých případech může být i nebezpečná!

(Autor článku dr. ing. Petr Měchura se zabývá úsporami energií.)

PETR MĚCHURA

Mazutky se používaly i na těžký posun. Na snímku zdická „mazutka“ 555.3059 v Berouně.
Foto: Bohuslav Zeman