研究人员表明，受控火旋风清理溢油的速度比传统燃烧法更快，且更加清洁。旋转火焰消耗了高达95%的石油，减少了40%的烟尘排放，并有助于防止溢油蔓延至敏感的海洋栖息地。
燃烧石油，一种被称为“就地燃烧”的技术，可以防止浮油扩散。然而，它也会产生滚滚黑烟，向大气中释放烟灰，并在海面上留下一层未燃烧的残留物。
现在，研究人员展示了一种引人注目的新方法，可以使这一过程更加有效。在一项首创的大规模研究中，科学家制造了巨大的火旋风——类似火龙卷的旋转火焰柱，并发现它们比传统方法燃烧石油更快、更清洁。
旋转的涡流吸入大量氧气，产生更热、更高效的火焰。结果，火旋风消耗石油的速度更快，同时产生的污染显著减少。
这项研究由安全和环境执法局 (BSEE) 支持，由德克萨斯农工大学的 Elaine Oran 博士和王青松博士以及加州大学伯克利分校的 Michael Gollner 博士领导。
“这是首次有人构想利用火旋风进行溢油修复，这真的只是一个开始，”工程学院航空航天工程教授 Oran 说。“我们的目标是利用火旋风的混沌特性，将其作为一种强大、精准的修复工具，以保护海岸线、海洋生态系统以及整个环境。”
一种更快、更清洁的应对溢油方法
这项研究引入了一种非常规策略，用于应对最具破坏性的环境紧急情况之一。
2010 年毁灭性的“深水地平线”灾难仍然有力地提醒着人们海上石油泄漏可能产生的影响。这起事故是美国历史上最大的海上石油泄漏事故，造成 11 名工人死亡，夺去了数千只海洋动物的生命，并对海洋生态系统造成了广泛破坏。
“我们正在审视像石油泄漏这样的环境灾难，并寻找更快、更环保、更可持续的方式来修复它们，”Oran 说。
火旋风最有前途的优势之一是速度。
根据研究人员的说法，火旋风燃烧原油的速度几乎是传统就地燃烧池的两倍。更快的除油速度可以为响应团队提供关键优势，使他们能够在石油扩散到敏感栖息地和受保护的海岸地区之前将其清除。
“火旋风燃烧原油泄漏的速度几乎是就地燃烧池的两倍，这可能使清理人员拥有更快的行动和响应时间，从而消除石油扩散，”Oran 说。
该技术还可以减少燃烧石油的最大缺点之一：烟雾。
“燃烧溢油最大的挑战之一是排放的烟雾量巨大，”Oran 说。“我们的结果表明，与就地燃烧相比，火旋风显著减少了总体排放。”
旋转的火焰就像一个巨大的焚烧炉，破坏了许多导致浓烟的颗粒。该过程还在大部分石油变成水面上有毒的焦油状残留物之前将其蒸发。
这些发现可能不仅适用于溢油响应。更好地了解火旋风的形成和行为方式，可以帮助工程师开发更高效的燃烧系统，并改进预测和管理野火的工作。
“我们的研究具有普遍的适用性，”Oran 说。“通过了解支配火旋风的物理定律，我们可以利用它们的力量，而不仅仅是用于溢油修复。”
构建 17 英尺高的火旋风
以往大多数关于火旋风的研究都是在实验室环境下以小得多的规模进行的。
为了探索这一现象是否可用于现实世界的溢油清理，研究团队设计了一个足够大的实验，以模拟更真实的条件。
“我们实验的规模是我们的调查如此独特的原因之一，也是其成为首创的原因，”Oran 说。
研究人员建造了一个 16 英尺高的三角形结构，带有三面墙壁，使他们能够仔细控制气流。在中心，他们放置了一个 1.5 米宽的原油池，漂浮在水面上。
该装置在德克萨斯农工大学工程扩展服务局 (TEEX) 的 Brayton 消防训练场点燃后，产生了一个强大的火旋风，高度近 17 英尺。
发表在《燃料》 杂志上的结果显示，该技术相比传统的石油燃烧技术有了重大改进。
“与就地燃烧测试相比，火旋风燃烧石油的速度提高了约 40%，烟灰排放量减少了 40%，并实现了高达 95% 的燃料消耗效率，”Oran 说。
寻找火旋风的“金发姑娘区域”
尽管火旋风表现令人印象深刻，但并不容易控制。
“火旋风非常强大，也可能非常有益，”Oran 说。“但它们也很敏感，只有在条件恰到好处时才能达到高效率。”
强风会使旋转的火焰柱不稳定，甚至导致其完全坍塌。气流控制不足会阻止涡流的形成，导致火焰表现得更像常规燃烧。
研究人员还发现，油层的厚度起着重要作用。当浮油层太深时，火旋风会在消耗完所有燃料之前熄灭。
这种狭窄的理想条件范围被研究人员描述为“金发姑娘区域”，突显了将该技术投入实际应用的希望与挑战。
作为未来清理工具的火龙卷
该团队设想了一个未来，便携式系统可以直接部署在燃烧的溢油上方，以便按需有意产生火旋风。
如果成功，此类系统可以将普通火灾转化为高效的清理工具，从而改变紧急溢油响应方式。
“这项研究不仅仅是一个实验，它是对未来的一瞥，届时火灾将不再是一种破坏力量，而是一种保护我们海洋和地球的工具，”Oran 说。
目前，这项研究作为一个令人印象深刻的示范，展示了当科学家重新思考一种熟悉的自然现象时会发生什么。
它表明，即使是自然界最令人生畏的力量之一，也有可能被重新导向，以解决世界上一些最紧迫的环境挑战。