《大氣污染控制工程》實驗課程建設(shè)探索與實踐

云 慧，朱榮淑，王 琨，楊 磊，李海雁，柯丁寧，羅海健，魏熙宇，蔣麗紅

(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)實驗與創(chuàng)新實踐教育中心，廣東 深圳 518055；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；3 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150096)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國的大氣污染問題已經(jīng)從早先的酸雨逐漸轉(zhuǎn)向了灰霾和光化學(xué)煙霧并存的復(fù)合型大氣污染，大氣污染控制的關(guān)注點也從脫硫脫硝除塵，發(fā)展到了揮發(fā)性有機物(VOCs)的控制和去除[1-2]。我國北方地區(qū)的重點城市群冬季煤煙型污染仍然嚴重，而夏季由于揮發(fā)性有機物排放等導(dǎo)致的光化學(xué)污染問題也很突出。在南方地區(qū)的城市群，光化學(xué)污染問題則更為嚴重[1]。因此，有效的從源頭進行大氣污染控制成為了解決大氣污染問題的重中之重，而培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型的大氣污染控制專業(yè)人才對于環(huán)境專業(yè)的人才培養(yǎng)也愈加重要[2-4]。

《大氣污染控制工程》是哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境專業(yè)的主干課程之一，從2017年起環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)開始在哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)招收本科生，以此為契機，在該校區(qū)開展了大氣污染控制工程實驗課程的建設(shè)?！洞髿馕廴究刂乒こ虒嶒灐肥窃?《大氣污染控制工程》理論課的基礎(chǔ)上設(shè)置的36學(xué)時的獨立設(shè)課實驗課，課程主要圍繞粉塵、二氧化硫、氮氧化物、機動車尾氣、有機廢氣等典型的大氣污染物進行廢氣凈化，共建設(shè)了16個實驗項目，涵蓋了大氣污染控制工程相關(guān)的常用技術(shù)、方法、儀器和設(shè)備，并且將設(shè)備操作實驗與虛擬仿真實驗相結(jié)合，將單項技術(shù)設(shè)備的性能驗證實驗與多項技術(shù)綜合解決實際問題的綜合實驗相結(jié)合，采用多媒體教學(xué)、教師現(xiàn)場講解、學(xué)生現(xiàn)場繪圖與實操等綜合教學(xué)方法，加強了學(xué)生對大氣污染控制設(shè)備的原理和結(jié)構(gòu)的認識與掌握，學(xué)生能夠用實驗方法判斷不同參數(shù)對設(shè)備控制性能的影響，學(xué)習(xí)如何將不同的技術(shù)綜合運用解決實際的工程問題，了解實驗手段在控制工藝和設(shè)備研發(fā)過程中所起的作用，為學(xué)生將來從事大氣污染控制工程的設(shè)計、科研及技術(shù)管理等相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。

1 課程調(diào)研

國內(nèi)的大氣污染控制實驗室建設(shè)主要以清華大學(xué)郝吉明院士編寫的《大氣污染控制工程實驗》為基礎(chǔ)[5]。清華大學(xué)的大氣污染控制工程實驗項目包括電袋除塵器性能測定、旋風(fēng)除塵器性能測定、濕法和干法脫硫、NOx催化凈化實驗-SCR反應(yīng)爐裝置、機動車尾氣排放檢測等[2， 6]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)校本部的實驗項目包括粉塵粒徑分布測定實驗、旋風(fēng)除塵器與袋式除塵器組合除塵系統(tǒng)性能實驗、管道氣體參數(shù)測定實驗、多功能氣體吸收塔性能實驗、板式電除塵器性能實驗、袋式除塵器性能實驗和汽車尾氣測定實驗等。太原理工大學(xué)開設(shè)了電除塵伏安特性曲線和效率測定、Na2CO3吸收二氧化硫、活性炭吸附甲醇和室內(nèi)空氣甲醛污染監(jiān)測等[7]。大連理工大學(xué)的實驗項目包括傳統(tǒng)濕法脫硫?qū)嶒炁c膜吸收脫硫?qū)嶒灥膶Ρ?，生物法凈化甲苯廢氣、高效催化劑制備和催化氧化凈化空氣污染物等[8]。一些學(xué)校通過教學(xué)改革，更新了以往的實驗內(nèi)容[9-10]，開設(shè)了虛擬仿真實驗項目[11-13]。通過走訪清華大學(xué)、哈工大校本部、同濟大學(xué)和浙江大學(xué)的相關(guān)實驗室，可以發(fā)現(xiàn)，除塵和脫硫是大氣污染控制工程實驗中最常見的內(nèi)容，此外，脫硝實驗、機動車尾氣、揮發(fā)性有機物以及室內(nèi)污染氣體的去除和控制實驗也受到越來越多的重視。因此，新建設(shè)的《大氣污染控制工程實驗》課程能夠涵蓋除塵、脫硫、脫硝、有機物凈化、機動車尾氣凈化是非常必要的，而虛擬仿真實驗可以拓展實驗教學(xué)內(nèi)容、延伸實驗教學(xué)時間和空間，也成為了一個重要的建設(shè)方向[11-12]。

2 實驗課程建設(shè)

基于充分的調(diào)研，校區(qū)《大氣污染控制工程實驗》課程建設(shè)主要圍繞兩個方面開展，首先是確定一套較為完備的實驗項目體系，實驗內(nèi)容至少要包含除塵、脫硫、脫硝、有機物凈化、機動車尾氣凈化五個方面，其次是建設(shè)配套的實驗室基礎(chǔ)設(shè)施，以充分滿足實驗設(shè)備的供電、供氣、排風(fēng)、報警等平穩(wěn)安全的運行條件。

2.1 建立健全實驗項目體系

校區(qū)《大氣污染控制工程實驗》課程最終建設(shè)了16個實驗項目，共計36學(xué)時，見表1。

實驗一到實驗四為基礎(chǔ)實驗，使學(xué)生在實驗中學(xué)習(xí)和了解氣流及粉塵的基本性質(zhì)。通過皮托管配合微壓計的使用、煙水分析儀的使用和熱敏風(fēng)速儀的使用，讓學(xué)生對管道中的氣流壓力、溫濕度，以及流速流量等參數(shù)進行充分的了解，通過對比石墨烯和滑石粉的比電阻測定結(jié)果對不同性質(zhì)的粉塵的比電阻產(chǎn)生直觀認識，使用煙塵采樣儀基于等速采樣和重量法測定除塵器管道中的粉塵濃度，同時計算除塵效率，粉塵粒徑分布則使用傳統(tǒng)的重力沉降法測定粉塵不同粒徑段的篩下累積質(zhì)量頻率。

在這四個實驗的基礎(chǔ)上，實驗五到八為四種不同工藝的除塵實驗，采用了成品的實驗裝置，讓學(xué)生在實驗室內(nèi)直觀的觀察各種除塵器的構(gòu)造，通過現(xiàn)場的操作，了解管道風(fēng)速、粉塵粒徑、粉塵濃度等參數(shù)對除塵效率的影響。實驗九和實驗十為濕法脫硫?qū)嶒?，一種是多功能氣體吸收塔，采用篩板塔，以自來水作為吸收液，主要是物理吸收，一種是三級填料塔，采用低濃度的NaOH作為吸收液，為化學(xué)吸收法，學(xué)生通過操作，感受液泛現(xiàn)象的發(fā)生，并通過調(diào)節(jié)進氣流量、吸收液流速等參數(shù)，了解濕法脫硫效率的影響因素。實驗十一是NH3-SCR脫硝實驗，實驗過程中學(xué)生可以直觀的觀察到在一定的溫度范圍內(nèi)隨著催化室內(nèi)溫度的升高，氮氧化物的去除率有明顯的增加。脈沖電暈放電等離子體技術(shù)可以在加氨條件下同時脫硫脫硝，由于實驗中高壓電可達30 kV，電流有5 mA左右，危險性較高，設(shè)計為演示實驗。實驗十三、十四是通過光催化法和活性炭吸附法對甲苯氣體進行凈化處理，希望學(xué)生對有機物的去除技術(shù)也有所了解。機動車尾氣三效催化凈化實驗分為兩個部分，首先學(xué)生使用煙氣分析儀，對實際的家用小汽車啟動后怠速狀態(tài)的尾氣排放進行簡單的測量，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生在實驗室觀察三元催化劑對模擬尾氣(CO和NO的混合氣體)的去除效果。

燃煤電廠大氣污染物排放協(xié)同控制3D虛擬仿真實驗是基于一款模擬燃煤電廠的尾氣處理過程的大型仿真軟件，工藝主要采取SCR脫硝、靜電除塵、濕法脫硫、濕式靜電除塵相組合的煙氣處理方法，主要設(shè)備包括：SCR脫硝反應(yīng)器、靜電除塵器、脫硫吸收塔、濕式電除塵裝置以及附屬的氨儲存、蒸發(fā)、緩沖、氨氣/空氣混合系統(tǒng)，石膏旋流、石膏脫水系統(tǒng)等。實驗內(nèi)容不僅包括正常條件下的開車，對各個車間按順序進行操作，使得污染物達標排放，也有針對特殊處理單元的操作，例如SCR吹灰裝置啟動、吸收塔攪拌器異常檢修和濕式電除塵極板沖洗，也包括煙氣污染物排放濃度超標情況下的問題排查和檢修。該虛擬仿真實驗與實驗室內(nèi)的操作實驗緊密結(jié)合，使學(xué)生對除塵、脫硫脫硝工藝有了更加深入的學(xué)習(xí)和掌握。

表1 已經(jīng)開設(shè)的實驗項目Table 1 Existing experiments

2.2 完善實驗室基礎(chǔ)設(shè)施配套

大氣污染控制實驗室建設(shè)面積為129 m2，在實驗室內(nèi)共放置了12套大型落地裝置，如圖1所示，裝置分為前中后3個區(qū)域，一個除塵區(qū)，一個脫硫脫硝區(qū)，一個綜合區(qū)，每個區(qū)域放置4臺裝置，其中每2臺為一組背靠背放置，每個區(qū)域中間安裝兩條中央功能柱。根據(jù)實驗項目的設(shè)定，實驗室共需用到5種氣體，包括二氧化硫、一氧化氮、氨氣、一氧化碳和甲苯，這幾種氣體均為有毒氣體，因此，在實驗室基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，實驗室安全是重中之重。

圖1 實驗室布局圖Fig.1 Laboratory layout

為了保障實驗裝置設(shè)備的平穩(wěn)運行，實驗室設(shè)計了四大系統(tǒng)，包括供電系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)。供電系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)采用中央立柱的形式，背靠背的2臺設(shè)備共用一個立柱，內(nèi)側(cè)供電，外側(cè)是兩個立柱中間的間隔過道，用于供氣。供氣系統(tǒng)由實驗室后方的氣體暫存室集中供應(yīng)，氣瓶采用8 L的鋼瓶氣，并且放置在自動控制的氣瓶柜內(nèi)，氣瓶柜內(nèi)裝有氣體報警探頭，氣體暫存室內(nèi)裝有氧氣報警探頭。此外，在實驗室環(huán)境內(nèi)也根據(jù)氣體密度在不同高度安裝了氣體報警探頭和氧氣報警探頭。報警系統(tǒng)，則是對所有探頭數(shù)據(jù)的收集系統(tǒng)，一旦發(fā)生泄漏被探頭檢測到，會進行聲光報警，發(fā)出蜂鳴聲同時報警燈由綠燈變?yōu)榧t燈。與此同時，報警系統(tǒng)可以觸發(fā)排風(fēng)系統(tǒng)開到最大排風(fēng)狀態(tài)，并同時對兩名教師進行手機短信推送告知。排風(fēng)系統(tǒng)則包括氣瓶柜內(nèi)的排風(fēng)、氣體暫存室內(nèi)的排風(fēng)、實驗裝置的尾氣排放以及實驗空間內(nèi)的排風(fēng)。實驗裝置的尾氣管道直接對接到排風(fēng)系統(tǒng)的管道中，所有的排氣最終匯集到同一條排風(fēng)管中，尾氣經(jīng)過特殊活性炭處理箱的凈化，最終由樓頂?shù)囊L(fēng)機作為動力牽引源排放到大氣中。引風(fēng)機的功率是可調(diào)的，在正常工作狀態(tài)下不需要開到最大，只有當發(fā)生特殊情況會由報警系統(tǒng)觸發(fā)自動開動最大功率。同時實驗室內(nèi)也設(shè)置有緊急手動按鈕，可以根據(jù)需要手動控制將風(fēng)機頻率開到最大。

3 實驗教學(xué)實踐

大氣污染控制工程實驗課程已經(jīng)為校區(qū)2017級和2018級環(huán)境專業(yè)的本科生開設(shè)，學(xué)生人數(shù)共計76人，實驗時每2～ 4人一組。在教學(xué)實踐中，通過運用多重教學(xué)手段來激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，通過加入虛擬仿真實驗，強化學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。通過實驗課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對大氣污染控制工程理論課上的知識產(chǎn)生了更為直觀形象的認識和理解，對除塵、脫硫、脫硝、有機物和機動車尾氣凈化方面的工藝、技術(shù)、儀器和設(shè)備有了深入的了解，對影響各種工藝設(shè)備的凈化效率的因素有了深入的思考，這就為學(xué)生今后從事大氣污染控制工程相關(guān)的設(shè)計、研發(fā)、管理工作打下了扎實的基礎(chǔ)。

3.1 多重教學(xué)手段，激發(fā)實驗興趣

實驗室內(nèi)的落地實驗設(shè)備幾乎都配有對應(yīng)的3D演示軟件，軟件中能夠展示設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)，并且可以演示設(shè)備的操作和開機運行后內(nèi)部的氣流流動和污染物去除過程。因此，能夠幫助學(xué)生更好的預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容。在實驗課的開頭2學(xué)時，以PPT教學(xué)的形式介紹實驗室的建設(shè)、實驗課程的安排、串講所有實驗的實驗原理、并進行實驗室安全宣講。在充分理解實驗原理和高度重視安全的基礎(chǔ)上，帶領(lǐng)學(xué)生到實驗室內(nèi)先對實驗室環(huán)境進行熟悉，然后分組對每臺落地裝置進行一次現(xiàn)場講解和開機演示，之后會統(tǒng)一再運用3D演示軟件進行一次演示學(xué)習(xí)，加深印象。在后面的分組實驗過程中會對實驗操作、注意事項等進行更加細致的現(xiàn)場講解。在這個由淺入深的教學(xué)過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣被逐漸的激發(fā)出來。

在實驗教學(xué)過程中，對實驗裝置的觀察并繪圖成為很重要的實驗內(nèi)容。由于大多數(shù)的操作實驗偏重于驗證性，如果僅關(guān)注粉塵或廢氣的進出口濃度以及處理效率，學(xué)生的實驗興趣不強，學(xué)習(xí)效果并不理想?？紤]到環(huán)境工程類專業(yè)對于工程設(shè)計和工程制圖有很高的要求，那么學(xué)生通過對成品實驗裝置各個結(jié)構(gòu)組件的觀察和繪圖，能夠清楚的了解一套工程設(shè)備的完整構(gòu)造，對于實驗原理和儀器設(shè)備有更加深入的學(xué)習(xí)和掌握，也為課程設(shè)計等后續(xù)學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

3.2 加入虛擬仿真，強化綜合應(yīng)用

在操作實驗的基礎(chǔ)上，三維仿真實驗的加入使得學(xué)生對于真實的燃煤電廠環(huán)境及廢氣處理工藝有了更為直觀的感受。實驗室的操作裝置更加側(cè)重于某一種工藝的展示和應(yīng)用，而燃煤電廠大氣污染物排放協(xié)同控制3D虛擬仿真實驗是應(yīng)用多種工藝同時進行除塵、脫硫、脫硝，并且還涉及到氨氣的供應(yīng)，濕法脫硫中廢漿液的收集和回收利用，是針對燃煤電廠廢氣處理這一具體問題展開的對于各種處理工藝的綜合應(yīng)用，這就將單個的獨立的工藝裝置綜合起來，學(xué)生也能夠更加深入的理解不同工藝的實際應(yīng)用場景。

虛擬仿真實驗可以實現(xiàn)一對一的學(xué)習(xí)，不必受限于實驗設(shè)備臺套數(shù)，更好的激發(fā)了每位學(xué)生的積極性。如圖2所示，首先，學(xué)生可以通過軟件界面右下角的知識點模塊在課前對實驗中涉及的主要知識點進行預(yù)習(xí)，也可以通過界面右側(cè)的工藝講解模塊了解每一個工藝流程。在課堂教學(xué)中，在專業(yè)的計算機房，通過教師電腦控制學(xué)生電腦界面，實現(xiàn)同屏播放和演示，先會播放整個工藝流程的總體介紹，然后展示各個工藝裝置的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作動畫，通過三維動畫的展示，極大的提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師通過點評實驗室內(nèi)的裝置工藝和實際電廠工藝的異同，比如干法靜電除塵振打方式的比較、干法靜電除塵和濕法靜電除塵的比較、NH3-SCR脫硝工藝的高塵環(huán)境應(yīng)用和低塵環(huán)境應(yīng)用等，學(xué)生能夠?qū)に嚨募毠?jié)有更多的了解和認識。在課后，學(xué)生可以在自己的電腦上進行復(fù)習(xí)，反復(fù)觀看和操作，加深對課堂內(nèi)容的理解和掌握。

圖2 燃煤電廠大氣污染物排放協(xié)同控制 3D虛擬仿真實驗操作界面Fig.2 Operation interface of 3D virtual simulation experiment for collaborative control of air pollutants emitted by coal-fired power plants

4 結(jié) 語

我國對大氣污染問題的重視程度越來越高，大氣污染控制工程方面的人才培養(yǎng)也面臨著更高的挑戰(zhàn)，這也對大氣污染控制工程實驗課程的建設(shè)提出了更高的要求。首先，實驗課程的建設(shè)借鑒了多所高校的經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上確立了涵蓋除塵、脫硫、脫硝、有機物凈化、機動車尾氣凈化的多種控制工藝的16個實驗項目，實驗課程學(xué)時數(shù)達到36學(xué)時。其次，在實驗室基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)方面，在有限的實驗室空間內(nèi)建設(shè)了完備的供電系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)，為實驗室的安全運行打下了扎實基礎(chǔ)。再次，在實驗教學(xué)過程中，通過3D設(shè)備軟件課前預(yù)習(xí)、多媒體教學(xué)、現(xiàn)場講解演示、現(xiàn)場繪圖等多種教學(xué)方法結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的實驗熱情，同時引進了燃煤電廠大氣污染物排放協(xié)同控制3D虛擬仿真實驗，進一步加強了學(xué)生對于不同處理工藝的綜合應(yīng)用的學(xué)習(xí)和理解，使得整個實驗教學(xué)體系更加完善。今后，我們還會對現(xiàn)有的實驗內(nèi)容進行深化創(chuàng)新，爭取開設(shè)一些綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性的實驗項目[14-16]，同時也會強化虛擬仿真實驗的建設(shè)，增加揮發(fā)性有機物處理相關(guān)的虛擬仿真實驗內(nèi)容，也要進一步將實驗與科研課題、工程實踐結(jié)合起來，以求更好的服務(wù)于學(xué)生，培養(yǎng)綜合型創(chuàng)新型的專業(yè)人才。