實驗教學在船舶動力專業人才培養過程中的實踐與思考

朱元清 石杰 馮永明

摘? ? 要：有深度的實驗教學和良好的實驗教學效果反饋在船舶動力專業人才培養過程中尤為重要，針對船舶尾氣NOx、SOx、PM等污染物減排問題，設計了一套基于選擇性催化還原技術——干式脫硫技術的船用柴油機脫硫脫硝創新實驗平臺（SCR—EGC），提出了實驗部分（實驗報告）、理論部分（知識競賽）和課后部分（心得體會）的三段式成績考核方式，將催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測等理論知識教學融入船舶尾氣凈化的特定場景。學生反饋表明，該實驗可以加深學生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術及污染物檢測技術等專業知識的理解，為日后相關專業課的學習奠定良好的基礎，提高學生解決復雜工程問題和實踐創新的能力。

關鍵詞：船舶尾氣；污染物凈化；污染物檢測；實驗教學；實驗平臺建設

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）03-0019-03

基于船舶營運成本考慮，船用低速柴油機常采用劣質含硫渣油（HFO），其燃燒所排放的尾氣中必然含有大量的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、二氧化碳（CO2）、顆粒物（PM）以及揮發性有機物（VOC）等多種污染物，給海洋環境和港口大氣造成了嚴重的污染，對人類健康造成很大危害[1]。為了限制船舶尾氣污染物排放，國際海事組織（IMO）及歐美等國相繼制定了嚴格的船舶廢氣污染物排放法規，并在指定排放控制區域（ECA）內強制實施更加嚴格NOx、SOx排放標準，直接影響了歐洲、北美洲相關港口及其航線。2016年，我國交通運輸部將珠三角、長三角、環渤海（京津冀）水域設立為船舶大氣污染物排放控制區，并在2019年將三大船舶污染物排放區擴展至沿海12海里內的所有海域及港口，控制重心從控制硫氧化物（SOx）向控制氮氧化物（NOx）側重[2]。我國對船舶的排放控制正在逐步加強，但與國外相比仍較滯后[3]。由于歐洲和北美洲為我國的最大貿易區域，往來于我國和歐洲、北美洲新舊船必須滿足更嚴格的IMO Tier III排放限制要求及我國沿海排放限制要求。

雖然在全球溫室氣體減排的大背景下，能源技術變革不斷推進與深化，以甲醇、氨氣、氫氣等為代表的低碳燃料、零碳燃料必將取代劣質含硫渣油，從而減少船舶排放的污染物，但是氮氧化物（NOx）仍是船舶需要控制的污染物。此外，低碳燃料、零碳燃料的采用可能會排放其他污染物，如何同時脫除多種污染物也是亟待解決的問題。為滿足越來越嚴格的氮氧化物排放法規，以及脫除未來可能的其他船舶污染物離不開技術支撐與儲備，這需要在船舶動力專業人才培養的過程中加強關于船舶污染物相關內容的教學，加深學生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術及污染物檢測技術等專業知識的認識和理解，培養具有解決船舶污染物排放能力的創新型人才。

一、船舶污染物實驗教學是培養船舶動力專業創新人才的重要手段

在當前船舶污染物排放法規越來越嚴格的背景下，社會對船舶動力專業人才也有了更高的要求。然而，由于近年來全球溫室氣體減排熱度的升高，降低溫室氣體的排放成為了關注的焦點，大眾對傳統污染物減排的關心減弱，這也導致學生學習傳統污染物減排知識的興趣不高，但這并不意味著傳統污染物減排知識的學習不重要，掌握傳統的船舶污染物減排知識有助于學生更好地理解船舶動力行業的需求。如何打破傳統污染物減排教學尷尬位置，提高船舶動力專業本科生對于船舶污染物減排知識的創新應用能力，培養創新型船舶動力專業人才，是擺在船舶動力專業教師面前的一個課題。一方面，船舶污染物比較抽象，學生難以清晰地認識到船舶污染物的排放水平以及船舶污染物減排的重要性；另一方面，船舶污染物減排知識枯燥，理論教學雖然能讓學生記住污染物減排知識，但是學生難以靈活應用和創新。

實驗教學是大學教育教學的重要組成部分[4]，對于學生知識理解、實踐能力和創新思維等培養目標具有重要貢獻。然而，高校實驗教學常面臨著學生在實驗課上參與度不高，內容和手段落后于學科發展前沿和生產實際等問題，這些問題導致實驗教學無法達到預期目標，嚴重制約著船舶動力專業人才培養質量。但是，實驗教學的重要性是毋庸置疑的，是高校高水平應用型人才培養的重要載體，能夠提升學生的動手能力和解決工程問題的能力，對于創新型人才的培養具有不可替代的作用[5-6]。因此，船舶污染物實驗教學是打破傳統污染物減排教學尷尬處境，提高船舶動力專業本科生對于船舶污染物減排知識的創新應用能力，培養創新型船舶動力專業人才的重要手段。

二、船用柴油機脫硫脫硝創新實驗平臺

選擇性催化還原技術（SCR）是指在催化劑和氧氣存在的條件下，在較低的溫度范圍（280℃～420℃）內，還原劑（如NH3、CO或HC等）有選擇地將廢氣中的NOx還原成為N2和H2O，來減少NOx排放的技術。從技術成熟度及應用范圍而言，SCR技術是IMO公認的唯一可用于各類船舶發動機和船型的NOx減排技術。干式脫硫技術（EGC）是在脫硫吸收塔中裝填顆粒堿性脫硫吸收劑脫除硫氧化物，且由于循環流化床的傳熱、傳質特性，可以附帶脫除廢氣中部分CO2、NOx、PM等物質。根據船舶燃料類型（高硫、低硫或不含硫）及污染物處理技術路線，新建船舶可以采用單獨裝配SCR系統或EGC系統，或同時裝配SCR—EGC系統。

（一）實驗平臺的搭建

為了加深學生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術及污染物檢測技術等專業知識的認識和理解，提高學生解決復雜工程問題和實踐創新的能力，培養優秀的船舶動力專業人才，設計了一套基于選擇性催化還原技術——干式脫硫技術的船用柴油機脫硫脫硝創新實驗平臺（SCR—EGC）。本實驗教學平臺采用濰柴動力有限公司140kW WD10C195-15型船用四沖程中高速柴油機模擬二沖程低速柴油機排氣條件，主要組成：柴油機運行測控系統、后處理系統、廢氣測量采樣系統，具體包括柴油機本體、測功機、SCR反應器、干式脫硫吸收塔、Horiba PG-350廢氣分析儀等。柴油機運行測控系統用于監測和控制柴油機的運行狀態，后處理系統用于脫除廢氣中的污染物，廢氣測量采樣系統用于測量廢氣中的常規氣態排放物（O2、SOx、CO2、CO和NOx）的含量。

（二）實驗平臺的創新

船用柴油機脫硫脫硝創新實驗平臺有兩個主要的創新：一是采用船用四沖程柴油機成功模擬了船用二沖程低速機的廢氣條件，二是同時安裝SCR反應器和干式脫硫吸收塔實現了聯合脫硫脫硝。

由于船用低速柴油機功率大、體積大且耗油量高，實驗室直接進行低速柴油機臺架教學成本很高。四沖程中高速柴油機與二沖程低速柴油機在廢氣溫度、廢氣成分、廢氣壓力等方面存在差異。基于這些差異，制定了四沖程中高速柴油機模擬二沖程低速柴油機廢氣條件實驗方案：（1）對四沖程柴油機廢氣溫度進行調整，排氣管路中布置氣—液冷卻器，以完成廢氣冷卻，調整廢氣溫度；（2）對四沖程柴油機廢氣成分進行調整，燃用非標高硫燃油，使其廢氣中含有SOx；（3）對四沖程廢氣壓力進行調整，排氣管路末端設置蒸汽壓力調節閥組，調整廢氣壓力，渦輪后廢氣壓力調整范圍3kPa～6kPa。

該實驗平臺同時安裝SCR反應器和干式脫硫吸收塔實現聯合脫硫脫硝。SCR反應器安裝于柴油機的排氣管后，凈化廢氣中的NOx污染物，柴油機正常工作時，在SCR反應器的上游，噴入質量分數為32.5%的尿素溶液，在廢氣的加熱作用下，尿素溶液得以蒸發霧化，并發生熱解反應，分解為NH3和CO2，隨后NH3在V2O5-WO3/TiO2催化劑的作用下與NOx發生選擇性催化還原反應生成N2和H2O；干式脫硫吸收塔安裝于SCR反應器之后，凈化廢氣中的SOx、PM等污染物，廢氣首先采用軸向擴散的方式進入填滿吸收塔的氫氧化鈣顆粒中，在240℃～450℃的工作溫度范圍內進行SOx、PM和少部分NOx的處理過程。最后，潔凈的廢氣經由處于吸收塔四角的方形沖孔出口管道，匯入出口混合腔內再排出。

（三）實驗教學

利用該實驗教學平臺，可以進行催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測等理論知識在特定場景下的案例教學，也可以進行不同裝置中污染物單一脫除、協同脫除及污染物檢測的探索性教學。

1.污染物單一脫除教學。柴油機采用非標高硫油進行實驗，指導學生測量發動機25%、50%、75%和100%負荷下SCR系統前后廢氣中的NOx含量。同時，結合催化脫硝理論、NOx檢測方法、NOx排放法規等知識的講解，使學生了解船用發動機的NOx排放水平，深入理解船用發動機NOx污染物的減排原理。

柴油機采用非標高硫油進行實驗，指導學生測量發動機25%、50%、75%和100%負荷下SCR系統前后廢氣中的SOx含量。同時，結合吸附脫硫理論、SOx檢測方法、SOx排放法規等知識的講解，使學生了解船用發動機的SOx排放水平，深入理解船用發動機SOx污染物的減排原理。

2.污染物協同脫除教學。柴油機采用非標高硫油進行實驗，測量發動機25%、50%、75%和100%負荷下SCR-EGC系統前后廢氣中的NOx、SOx含量。同時，結合聯合脫硫脫硝等知識的講解，使學生深入理解船用發動機聯合脫硫脫硝的原理。

3.NOx轉換與修正教學。本實驗用柴油機標況下轉速為1 500 r/min，根據《船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南》中對NOx加權排放值的規定，其滿足IMO Tier III的NOx排放限值為2.08 g/kW·h，計算公式見公式（1）。各工況點極值為限值的1.5倍，即3.13 g/kW·h。

mNOx=9×n-0.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中mNOx——NOx比排放量。

實驗中測量的NOx單位為ppm，而IMO Tier III的NOx排放限值的單位為g/kW·h，所以需要將其換算成g/kW·h進行進一步分析。采用公式（2）—（4）進行轉換。

Mppmw=α·Mppmd? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

Mmg=? ? ? ? ·Mppmw? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

Mg=? ? ? ?·Mmg? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中Mppmw——濕基NOx濃度，單位ppm；α——干/濕修正系數，取0.9；Mppmd——干基NOx濃度，單位ppm；Mmg——NOx質量流量，單位mg/m3；M——NOx平均摩爾質量；Mg——NOx比排放量，單位g/kW·h；Ne——發動機功率，單位kW；m——排氣流量，單位m3/h。

實驗中污染物裝置測量的廢氣組分濃度是干基條件下的裝置計算顯示的結果，而大氣污染排放標準中的限制是在濕基條件，所以在計算該SCR系統的排放是否滿足排放標準時，通常需要將測得的數據乘以干/濕修正系數。

4.SO2轉換與修正教學。因為燃油硫含量限值與SO2/CO2比值存在對應關系，比如，SO2/CO2<4.3，則對應的硫含量限值<0.1%（見表1），所以測量廢氣中SO2、CO2，計算兩者的比值進而判斷處理后的廢氣是否滿足排放法規。

（四）成績考核

成績考核分為三部分：實驗部分、理論部分和課后部分，成績占比分別為40%、40%和20%。實驗部分：學生分為若干組，在教師的講解下進行實驗，撰寫實驗報告，根據實驗表現及實驗報告評分，成績占比為40%，該部分鍛煉學生的動手能力，培養學生的實驗思維。理論部分：建立船舶污染物知識題庫，學生分為若干組，舉行知識競賽，根據小組搶答的總分計算個人成績，成績占比為40%，該部分將實驗與理論緊密結合，加深學生對相關知識的掌握，此外通過學生的答題表現能夠獲得學生對實驗的掌握程度。課后部分：在本學期期末學生學習完“燃燒學基礎”等專業課后，學生結合專業課的學習撰寫該實驗的心得體會，成績占比為20%，該部分是為了讓學生通過專業知識的學習更深刻地認識到船舶污染物減排的重要性，并通過學生的心得體會評估實驗教學的效果。

三、實驗教學的思考

傳統實驗教學的內容多為測量數據，且經常根據實驗報告評定學生的成績，但采用傳統測量數據的方式，即簡單的測量廢氣中的成分含量，不能讓學生獲得真正的鍛煉。此外，實驗報告一般有固定的規范，很明顯通過實驗報告也不能確定學生是否真正掌握了相關內容。因此，為加深學生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術及污染物檢測技術等專業知識的認識和理解，掌握船舶尾氣污染物處理技術路線及裝置選型方法，鍛煉學生自主創新實驗設計與創新意識，有深度的實驗教學和良好的實驗教學效果反饋尤為重要。

利用船用柴油機脫硫脫硝創新實驗平臺進行實驗教學，可以使整個實驗教學過程中理論與實驗緊密結合，相輔相成，能夠使學生獲得真正的鍛煉。

實驗部分（實驗報告，40%）、理論部分（知識競賽，40%）和課后部分（心得體會，20%）的三段式考核方式具有科學性，并且能夠實現良好的反饋效果，及時掌握學生對相關知識的掌握。學生的反饋表明，船用柴油機脫硫脫硝創新實驗平臺將催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測等理論教學與實驗教學相統籌協調，遵循基礎性、綜合性、研究性、開放性的基本原則[7]，加深了學生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術及污染物檢測技術等專業知識的理解，為日后“燃燒學基礎”等重要專業課的學習奠定良好的基礎。

四、結語

船用柴油機脫硫脫硝創新實驗平臺通過調節四沖程中高速柴油機的廢氣溫度、廢氣成分、廢氣壓力模擬二沖程低速柴油機廢氣條件，采用SCR和干式脫硫吸收塔同時脫除廢氣中的NOx、SOx。結果表明：利用非標高硫燃油，該系統可以較好地模擬船用低速柴油機典型排氣條件下污染物的處理過程；該實驗可以加深學生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術及污染物檢測技術等專業知識的認識和理解，掌握船舶尾氣污染物處理技術路線及裝置選型方法，鍛煉學生自主創新實驗設計與創新意識，提高學生解決復雜工程問題和實踐創新能力。

參考文獻：

[1]? 朱元清.船用低速柴油機SCR技術的發展與應用[J].船舶工程，2020（10）.

[2]? 張達.船舶大氣污染物排放防治技術發展趨勢[J].中國水運（下半月），2023（2）.

[3]? 李軍偉，張曉紅，張新民.我國船舶大氣污染物排放及控制研究[J].資源節約與環保，2020（10）.

[4]? 厲旭云，梅汝煥，王夢令，等.對高校實驗教學在人才能力素質培養中的作用的剖析[J].實驗技術與管理，2014（5）.

[5]? 張玉平，徐洲，林忠欽.新時期一流大學實驗室建設與管理探索[J].實驗室研究與探索，2011（3）.

[6]? 林勝男，鄒海燕，張歡.新工科背景下地方高校實驗教學平臺建設路徑[J].實驗技術與管理，2021（12）.

[7]? 王國強，傅承新.研究型大學創新實驗教學體系的構建[J].高等工程教育研究，2006（1）.