《大氣污染控制工程》實驗課程建設探索與實踐

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 哈爾濱工業大學(深圳)實驗與創新實踐教育中心，廣東 深圳 518055；2 哈爾濱工業大學(深圳)土木與環境工程學院，廣東 深圳 518055；3 哈爾濱工業大學 環境學院，黑龍江 哈爾濱 150096)

隨著經濟社會的發展，我國的大氣污染問題已經從早先的酸雨逐漸轉向了灰霾和光化學煙霧并存的復合型大氣污染，大氣污染控制的關注點也從脫硫脫硝除塵，發展到了揮發性有機物(VOCs)的控制和去除[1-2]。我國北方地區的重點城市群冬季煤煙型污染仍然嚴重，而夏季由于揮發性有機物排放等導致的光化學污染問題也很突出。在南方地區的城市群，光化學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，而培養綜合型、創新型的大氣污染控制專業人才對于環境專業的人才培養也愈加重要[2-4]。

《大氣污染控制工程》是哈爾濱工業大學環境專業的主干課程之一，從2017年起環境科學與工程專業開始在哈爾濱工業大學深圳校區招收本科生，以此為契機，在該校區開展了大氣污染控制工程實驗課程的建設。《大氣污染控制工程實驗》是在 《大氣污染控制工程》理論課的基礎上設置的36學時的獨立設課實驗課，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，共建設了16個實驗項目，涵蓋了大氣污染控制工程相關的常用技術、方法、儀器和設備，并且將設備操作實驗與虛擬仿真實驗相結合，將單項技術設備的性能驗證實驗與多項技術綜合解決實際問題的綜合實驗相結合，采用多媒體教學、教師現場講解、學生現場繪圖與實操等綜合教學方法，加強了學生對大氣污染控制設備的原理和結構的認識與掌握，學生能夠用實驗方法判斷不同參數對設備控制性能的影響，學習如何將不同的技術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備研發過程中所起的作用，為學生將來從事大氣污染控制工程的設計、科研及技術管理等相關工作打下基礎。

1 課程調研

國內的大氣污染控制實驗室建設主要以清華大學郝吉明院士編寫的《大氣污染控制工程實驗》為基礎[5]。清華大學的大氣污染控制工程實驗項目包括電袋除塵器性能測定、旋風除塵器性能測定、濕法和干法脫硫、NOx催化凈化實驗-SCR反應爐裝置、機動車尾氣排放檢測等[2， 6]。哈爾濱工業大學校本部的實驗項目包括粉塵粒徑分布測定實驗、旋風除塵器與袋式除塵器組合除塵系統性能實驗、管道氣體參數測定實驗、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。太原理工大學開設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空氣甲醛污染監測等[7]。大連理工大學的實驗項目包括傳統濕法脫硫實驗與膜吸收脫硫實驗的對比，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]。一些學校通過教學改革，更新了以往的實驗內容[9-10]，開設了虛擬仿真實驗項目[11-13]。通過走訪清華大學、哈工大校本部、同濟大學和浙江大學的相關實驗室，可以發現，除塵和脫硫是大氣污染控制工程實驗中最常見的內容，此外，脫硝實驗、機動車尾氣、揮發性有機物以及室內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內容、延伸實驗教學時間和空間，也成為了一個重要的建設方向[11-12]。

2 實驗課程建設

基于充分的調研，校區《大氣污染控制工程實驗》課程建設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，其次是建設配套的實驗室基礎設施，以充分滿足實驗設備的供電、供氣、排風、報警等平穩安全的運行條件。

2.1 建立健全實驗項目體系

校區《大氣污染控制工程實驗》課程最終建設了16個實驗項目，共計36學時，見表1。

實驗一到實驗四為基礎實驗，使學生在實驗中學習和了解氣流及粉塵的基本性質。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速儀的使用，讓學生對管道中的氣流壓力、溫濕度，以及流速流量等參數進行充分的了解，通過對比石墨烯和滑石粉的比電阻測定結果對不同性質的粉塵的比電阻產生直觀認識，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的重力沉降法測定粉塵不同粒徑段的篩下累積質量頻率。

在這四個實驗的基礎上，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，讓學生在實驗室內直觀的觀察各種除塵器的構造，通過現場的操作，了解管道風速、粉塵粒徑、粉塵濃度等參數對除塵效率的影響。實驗九和實驗十為濕法脫硫實驗，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，為化學吸收法，學生通過操作，感受液泛現象的發生，并通過調節進氣流量、吸收液流速等參數，了解濕法脫硫效率的影響因素。實驗十一是NH3-SCR脫硝實驗，實驗過程中學生可以直觀的觀察到在一定的溫度范圍內隨著催化室內溫度的升高，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，希望學生對有機物的去除技術也有所了解。機動車尾氣三效催化凈化實驗分為兩個部分，首先學生使用煙氣分析儀，對實際的家用小汽車啟動后怠速狀態的尾氣排放進行簡單的測量，在此基礎上，學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，主要設備包括：SCR脫硝反應器、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、緩沖、氨氣/空氣混合系統，石膏旋流、石膏脫水系統等。實驗內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的操作實驗緊密結合，使學生對除塵、脫硫脫硝工藝有了更加深入的學習和掌握。

表1 已經開設的實驗項目Table 1 Existing experiments

2.2 完善實驗室基礎設施配套

大氣污染控制實驗室建設面積為129 m2，在實驗室內共放置了12套大型落地裝置，如圖1所示，裝置分為前中后3個區域，一個除塵區，一個脫硫脫硝區，一個綜合區，每個區域放置4臺裝置，其中每2臺為一組背靠背放置，每個區域中間安裝兩條中央功能柱。根據實驗項目的設定，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，在實驗室基礎設施的建設中，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備的平穩運行，實驗室設計了四大系統，包括供電系統，供氣系統，報警系統，排風系統。供電系統和供氣系統采用中央立柱的形式，背靠背的2臺設備共用一個立柱，內側供電，外側是兩個立柱中間的間隔過道，用于供氣。供氣系統由實驗室后方的氣體暫存室集中供應，氣瓶采用8 L的鋼瓶氣，并且放置在自動控制的氣瓶柜內，氣瓶柜內裝有氣體報警探頭，氣體暫存室內裝有氧氣報警探頭。此外，在實驗室環境內也根據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，則是對所有探頭數據的收集系統，一旦發生泄漏被探頭檢測到，會進行聲光報警，發出蜂鳴聲同時報警燈由綠燈變為紅燈。與此同時，報警系統可以觸發排風系統開到最大排風狀態，并同時對兩名教師進行手機短信推送告知。排風系統則包括氣瓶柜內的排風、氣體暫存室內的排風、實驗裝置的尾氣排放以及實驗空間內的排風。實驗裝置的尾氣管道直接對接到排風系統的管道中，所有的排氣最終匯集到同一條排風管中，尾氣經過特殊活性炭處理箱的凈化，最終由樓頂的引風機作為動力牽引源排放到大氣中。引風機的功率是可調的，在正常工作狀態下不需要開到最大，只有當發生特殊情況會由報警系統觸發自動開動最大功率。同時實驗室內也設置有緊急手動按鈕，可以根據需要手動控制將風機頻率開到最大。

3 實驗教學實踐

大氣污染控制工程實驗課程已經為校區2017級和2018級環境專業的本科生開設，學生人數共計76人，實驗時每2～ 4人一組。在教學實踐中，通過運用多重教學手段來激發學生的實驗興趣，通過加入虛擬仿真實驗，強化學生的綜合應用能力。通過實驗課程的學習，學生對大氣污染控制工程理論課上的知識產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、儀器和設備有了深入的了解，對影響各種工藝設備的凈化效率的因素有了深入的思考，這就為學生今后從事大氣污染控制工程相關的設計、研發、管理工作打下了扎實的基礎。

3.1 多重教學手段，激發實驗興趣

實驗室內的落地實驗設備幾乎都配有對應的3D演示軟件，軟件中能夠展示設備的三維結構，并且可以演示設備的操作和開機運行后內部的氣流流動和污染物去除過程。因此，能夠幫助學生更好的預習實驗內容。在實驗課的開頭2學時，以PPT教學的形式介紹實驗室的建設、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上，帶領學生到實驗室內先對實驗室環境進行熟悉，然后分組對每臺落地裝置進行一次現場講解和開機演示，之后會統一再運用3D演示軟件進行一次演示學習，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場講解。在這個由淺入深的教學過程中，學生的學習興趣被逐漸的激發出來。

在實驗教學過程中，對實驗裝置的觀察并繪圖成為很重要的實驗內容。由于大多數的操作實驗偏重于驗證性，如果僅關注粉塵或廢氣的進出口濃度以及處理效率，學生的實驗興趣不強，學習效果并不理想。考慮到環境工程類專業對于工程設計和工程制圖有很高的要求，那么學生通過對成品實驗裝置各個結構組件的觀察和繪圖，能夠清楚的了解一套工程設備的完整構造，對于實驗原理和儀器設備有更加深入的學習和掌握，也為課程設計等后續學習打下了良好的基礎。

3.2 加入虛擬仿真，強化綜合應用

在操作實驗的基礎上，三維仿真實驗的加入使得學生對于真實的燃煤電廠環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重于某一種工藝的展示和應用，而燃煤電廠大氣污染物排放協同控制3D虛擬仿真實驗是應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，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用，這就將單個的獨立的工藝裝置綜合起來，學生也能夠更加深入的理解不同工藝的實際應用場景。

虛擬仿真實驗可以實現一對一的學習，不必受限于實驗設備臺套數，更好的激發了每位學生的積極性。如圖2所示，首先，學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習，也可以通過界面右側的工藝講解模塊了解每一個工藝流程。在課堂教學中，在專業的計算機房，通過教師電腦控制學生電腦界面，實現同屏播放和演示，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、內部結構和工作動畫，通過三維動畫的展示，極大的提升了學生的學習興趣。教師通過點評實驗室內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脫硝工藝的高塵環境應用和低塵環境應用等，學生能夠對工藝的細節有更多的了解和認識。在課后，學生可以在自己的電腦上進行復習，反復觀看和操作，加深對課堂內容的理解和掌握。

圖2 燃煤電廠大氣污染物排放協同控制 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 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也面臨著更高的挑戰，這也對大氣污染控制工程實驗課程的建設提出了更高的要求。首先，實驗課程的建設借鑒了多所高校的經驗，并在此基礎上確立了涵蓋除塵、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，實驗課程學時數達到36學時。其次，在實驗室基礎設施的建設方面，在有限的實驗室空間內建設了完備的供電系統，供氣系統，報警系統，排風系統，為實驗室的安全運行打下了扎實基礎。再次，在實驗教學過程中，通過3D設備軟件課前預習、多媒體教學、現場講解演示、現場繪圖等多種教學方法結合，激發學生的實驗熱情，同時引進了燃煤電廠大氣污染物排放協同控制3D虛擬仿真實驗，進一步加強了學生對于不同處理工藝的綜合應用的學習和理解，使得整個實驗教學體系更加完善。今后，我們還會對現有的實驗內容進行深化創新，爭取開設一些綜合性、設計性、創新性的實驗項目[14-16]，同時也會強化虛擬仿真實驗的建設，增加揮發性有機物處理相關的虛擬仿真實驗內容，也要進一步將實驗與科研課題、工程實踐結合起來，以求更好的服務于學生，培養綜合型創新型的專業人才。