大型野外实验中火旋风强化原位燃烧技术：原油泄漏治理的清洁高效解决方案

为解决海洋原油泄漏治理中传统原位燃烧(ISB)效率低、污染物排放高的问题，研究人员开展了火旋风(Fire whirls)强化燃烧的大规模野外实验。通过1.5米直径原油池实验发现，火旋风使燃烧率提升40%、烟尘排放降低40%，在15 mm油膜厚度下实现95%的燃料消耗效率。该研究首次将实验室规模火旋风技术成功放大应用，为海洋溢油应急处理提供了创新性解决方案。

　　

海洋原油泄漏如同蓝色星球上的"黑色伤口"，每年造成超过800万吨原油进入海洋环境。传统原位燃烧(In-Situ Burning, ISB)虽能快速清除95%水面浮油，但面临两大困境：燃烧效率受限于中心区缺氧，以及产生大量含烟尘(soot)和有害气体的污染羽流。更棘手的是，现有研究多局限于实验室小尺度(通常<1米直径)，而真实海洋环境中的燃烧过程涉及复杂的气象、流体和热力学相互作用。

美国德州农工大学(Texas A&M)领衔的研究团队在《Fuel》发表突破性研究，首次将火旋风(Fire whirls)技术应用于1.5米直径的大规模原油燃烧实验。这种由燃烧羽流与环流耦合形成的涡旋火焰，天然具备增强热通量(heat flux)和改善空气循环的特性。研究团队在德州Brayton消防训练场搭建5米高三壁结构，采用墨西哥湾典型的HOOPS混合原油，通过15 mm和40 mm两种油膜厚度，系统比较了火旋风与传统池火(pool fires)的燃烧特性。

研究运用多维度测量技术：1) 热力学参数采集系统(14组K型热电偶和2台水冷式热通量计)监测火焰温度梯度；2) 无人机搭载"蜂鸟"(Kolibri)排放采样包测定CO₂、CO和PM_2.5；3) 三维视频分析系统("Flame Tracker"软件)量化火焰几何特征；4) 元素分析仪(ThermoFisher Flash Smart)解析残留物组分。

【火焰动力学】
通过风速仪阵列测量发现，火旋风平均火焰高度达池火的2倍(15FW1实验最高达8米)，但强风条件下(>1.5 m/s)会出现17%的火焰偏移。热通量测量显示中心区域峰值达405 kW/m²，比池火高84%，证实了火旋风的强化传热特性。

【燃烧效率】
在15 mm油膜实验中，火旋风实现95%的燃料消耗效率(15FW1)，但40 mm实验出现提前熄灭现象。质量通量分析表明火旋风使燃烧速率提升41%，但元素分析显示残留物碳含量仍达80.3%，暗示熄灭机制与燃料耗尽无关。

【排放特性】
PM_2.5排放因子(EF)分析显示火旋风比池火减少40%颗粒物，其中元素碳(EC)占比86%。改进的燃烧效率(MCE)计算包含颗粒碳后，火旋风达0.913(40FW2)，显著高于池火的0.874。

【关键发现】

1. 环流-热释放率比(Γ/Q)揭示：燃料池半径与壁距比(r_p/d_w)≤0.33时最优，实际1.5米直径导致空气卷吸受限；2) 水温监测发现40 mm油膜实验存在"微爆沸"(micro-explosion)现象，水蒸气突然释放导致火焰猝灭；3) 风速>1 m/s会造成不对称空气卷吸，破坏涡流稳定性。

这项研究首次在工程尺度验证了火旋风技术的环境应用潜力，其创新性体现在：1) 建立首个野外尺度火旋风数据库；2) 提出环流-热力学耦合模型；3) 开发适用于恶劣环境的测量方法。尽管在强风条件和厚油膜场景仍需优化，但为开发下一代溢油应急处理技术提供了关键科学依据。未来研究可探索可移动式涡流发生装置，以及在真实海洋环境中的工程化应用。