《工业废气净化技术与设备》虚拟仿真实验教学

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　　摘要：文章分析了《工业废气净化技术与设备》课程传统实验教学的不足，运用虚拟仿真技术构建逼真的脱硝、静电除尘、脱硫实验操作环境和实验对象。根据课程内容和特点设置实验项目，以虚拟仿真技术为核心，把工艺、装备和多相流融合为一体，制作教学案例，满足课程教学目标，并制定完善的评价体系和标准，提高评价的公正和公平性，从而达到真实实验难以实现的教学效果。
　　关键词：虚拟仿真；实验；教学
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）29-0279-02
　　《工业废气净化技术与设备》课程的内容主要是各种烟气脱硝、除尘、脱硫技术和相应设备的使用。传统的《工业废气净化技术与设备》实验通常是利用硬件实验设备进行的，在实际教学中，存在以下不足：
　　①烟气净化效果因素分析在实验现象中观察不到，无法找到最佳参数；②设备固定在系统中，针对不同烟气无法进行优化调整，难以培养学生的综合设计能力；③学生无法进行设备结构改进，难以达到提高净化效果的目的；④设备维护成本高；⑤实验项目固定且难以更新；⑥实验时间和地点固定，学生不能根据自己的学习进度安排实验时间。这些问题极大地限制了实验课程教学目标的实现。开展系统的烟气净化装备虚拟仿真实验，真实再现烟气处理过程，让学生在实际的虚拟仿真操作过程中，熟悉烟气净化技术，加强对所学知识的理解，提高创新设计的能力。
　　一、建立“虚实结合”的综合实验室
　　（一）虚拟仿真实验室建立
　　虚拟仿真实验室的建立是《工业废气净化技术与设备》实验课程改革的硬件基础。原来的实验室是单纯的硬件实验室，主要为一台脱硝反应器、一台布袋除尘器、一台脱硫喷淋塔，只能供一组18名学生完成装备的认识和测绘实验。改建后的实验室增加了30台计算机，每台计算机均安装定制开发的烟气净化装备虚拟仿真软件，可供学生构建烟气净化装备虚拟仿真工艺系统设计、装备的结构认知和组装、装备的结构和参数优化以及故障诊断等虚拟仿真实验。
　　（二）实验项目设计
　　1.烟气净化工艺系统的布置虚拟仿真实验。烟气净化系统涉及脱硝、脱硫、除尘等多个操作单元，主要的核心设备脱硝反应器、除尘器本体、脱硫塔对燃煤锅炉的运行稳定性和安全性至关重要。烟气净化系统必须能够满足环保净化超低排放要求，并提高设备的运行稳定性、可靠性和系统的工艺安全性，降低成本和烟气净化负荷。针对不同的烟气组分特点、满足性能等要求，比较不同的工艺布置方案的优缺点，进而优化组合最佳的工艺系统方案，达到提高净化效果和节能降耗的目的。
　　2.脱硝装备虚拟仿真实验。通过三维仿真及虚拟现实技术动态模拟演示脱硝工艺氨的存储系统、喷氨系统、氨与空气混合系统以及检测控制系统布置，学生通过交互操作，熟识、掌握脱硝装置的结构和工作原理，并进行SCR安装位置、催化剂、喷氨格栅的优化和导流板的创新设计。通过交互方式改变反应温度、反应时间、实际的n（NH3/NOX）、NH3与NOX的湍流混合程度等参数，体验并练习达到环保脱硝指标要求，调整反应温度、反应时间、实际的n（NH3/NOX）、NH3与NOX的湍流混合程度等操作，掌握脱硝装置的性能特点，分析严重的流场不均、催化剂活性不足和喷氨格栅结构缺陷等问题造成NOX排放不达标或空气预热器堵塞加剧、压差增大等故障原因，并进行排除。
　　3.静电除尘虚拟仿真实验。通过三维仿真及虚拟现实技术动态模拟演示静电除尘器本体系统和提供高压直流电的供电装置以及低压自动控制系统布置，学生通过交互操作，熟识、掌握静电除尘器的结构和工作原理，并进行极配形式、极间距、外壳的气密性、振打锤的大小和摇臂的长短的优化和气流旁路、气流均布板的创新设计。通过交互方式改变工作电压、气流速度、进口含尘浓度和湿度、烟气温度和压力、粉尘比电阻、供电装置的控制方式等，体验并练习达到环保除尘指标要求，调整工作电压、粉尘比电阻、供电装置的控制方式等操作，掌握静电除尘器的性能特点，分析保温圈的连接线烧坏、堵灰、电晕线断裂、收尘板烧变形等故障原因，并进行排除。
　　4.脱硫装备虚拟仿真实验。通过三维仿真及虚拟现实技术动态模拟演示石灰石—石膏烟气脱硫系统的石灰石浆制备系统、吸收系统、烟气再热系统、石膏脱水系统、废水处理系统布置，学生通过交互操作，熟识、掌握脱硫系统喷淋吸收塔的结构和工作原理，并进行喷淋层设计和喷嘴角度的优化。
　　5.脱白虚拟仿真实验。通过三维仿真及虚拟现实技术动态模拟演示脱白加热器布置，学生通过交互操作，熟识、掌握脱白工作原理，并进行温度和湿度的优化。通过交互方式改变温度和湿度参数，体验并练习达到环保脱白指标要求，调整温度和湿度操作，掌握脱白装置的性能特点。
　　二、虚拟仿真实验示例
　　在烟气净化工艺系统原理实验中，基于软件操作界面，学生可以根据三种不同的烟气净化处理步骤，拖动以上装备分别到正确的位置，正确排列净化装备顺序，完成本次练习，进入下一实验步骤。虚拟仿真软件中对不同装备进行高亮提示，可通过鼠标点选交互式操作，以完成烟气净化装备的相关部件的结构认知和零件组装过程。在实验中，针对不同烟气成分和颗粒性质，调整局部结构和操作参数进行仿真实验，通过观察物质反应、多相流流场特性来调整模型结构，分析烟气净化效率和效果，进而对比分析烟气性质、操作参数和结构参数对烟气净化效率和效果之间的关系，从而掌握节能降耗的基本规律。在实验结果中需要观察现象和结合数据分析，得到实验结论。
　　三、虚拟仿真实验考核
　　烟气净化装备虚拟仿真实验系统对学生在实验过程中的实验步骤和参数设置进行自动记录，并在实验操作完成后自动给出学生实验考核成绩。考核要求如下表考核评分表所示。
　　四、结语
　　烟气净化装备虚拟仿真实验教学综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等技术，通过构建逼真的脱硝、静电除尘、脱硫实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的实验，进而达到真实实验难以实现的教学效果。脱硝、静电除尘、脱硫实验涉及高温和腐蚀性介质，实验成本和消耗高，实验设备为大型非标，且实验项目综合性强，而虚拟仿真实验系统则体现了信息技术与教育教學融合发展和与学科专业深度融合带来的实验教学改革与创新。
　　参考文献：
　　[1]童志权.工业废气净化与利用[M].北京：化学工业出版社，2001.
　　[2]朱剑林，侯睿.虚拟仿真实验在计算机网络课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2016，4（17）.
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