烟气净化装备虚拟仿真实验建设

曹卫 阳程 周海

摘要：针对我校过程装备与控制工程专业烟气净化脱硝、除尘、脱硫实验设备的大型化、高成本、高消耗、高维护、操作危险等特殊性建设虚拟仿真实验，确定实验方案、实验目的、实验教学方法、实验实施过程、实验内容和实验步骤，从而实现传统实验室难以完成的教学功能，使教学更直观，提高实验教学效果，培养出更能适应社会、经济、科技需求的具有实践能力的节能环保应用型人才。

关键词：烟气净化；装备；虚拟仿真；实验

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）34-0277-02

一、实验方案设计

以烟气净化装备虚拟仿真实验教学资源为中心，开设虚拟烟气净化工艺布置、虚拟脱硝、静电除尘、脱硫装备结构和操作参数优化等一系列虚拟仿真实验，营造开放共享的虚拟仿真实验教学环境，最终建设成集虚拟资源、创新设计和教学管理于一体，具有良好自主性、交互性、可扩展性和安全性的虚拟仿真实验项目。借助江苏某环保股份有限公司的先进技术力量、实体资源、运行数据及研发实力，同时依托我校机械设计制造及其自动化品牌专业，江苏高校生态建材与环保装备协同创新中心和江苏省新型环保重点实验室教学资源共同研发、共同使用。针对烟气净化等过程设备设计课程的需求以及人才培养的具体要求，确定教学资源的研发重点，提出了按照烟气净化实际全生产流程（烟气发生→脱硝→静电除尘→脱硫→洁净烟气排放）高仿真的教学构建模式，形成教学资源相互联系、交叉、支撑的实验教学系统，使学生在虚拟环境中开展实验活动，提高学生的工程实践能力和创新能力。

二、实验目的

基于工艺装备模型进行参数调整和优化结构，以达到提高脱硝、除尘、脱硫效果，满足环保达标要求的目的。开展系统的烟气净化装置控制与优化虚拟仿真实验，让学生了解并掌握脱硫、脱硝、除尘工艺技术，掌握脱硫、脱硝、除尘装备工作原理及结构，熟悉脱硫、脱硝、除尘装备的操作规程并进行优化调整，使学生在虚拟环境中，不受时间、空间的制约，随时随地进入虚拟实验室进行虚拟实验操作，最大化利用教学资源，从而激发学生的学习主动性，培养研究兴趣，提高独立分析解决问题和创新设计的能力。

三、实验教学方法

在实验教学中，以熟悉烟气净化装置的结构和操作使用方式为目的，强调烟气净化装置结构组成、工作原理及性能特点与净化工艺和效率的关系，将课本抽象的知识形象化，使学生能够较为真实地体会烟气净化过程，并将知识点融会贯通，切实掌握烟气净化装置的理论知识。实验中遵循以学生为中心的教学理念，让学生亲自动手操作和演示实验装置，教师负责实验方法的讲解和实验过程监控，并对学生在操控、演示中出现的问题加以引导，通过启发的形式使学生认识出现问题的关键所在，增强学生对知识的获取兴趣和获取能力，培养学生知识学习、发现问题、分析问题、解决问题的能力。教师通过提问、质疑等方式激发学生充分发挥想象，对烟气净化装备结构等提出新的想法，充分发掘学生的创造潜能，并引导学生提高解决实际问题的综合能力。

四、实施过程

实验教学采用线下与线上结合的方式进行。线下主要由学生根据教师要求进行仿真练习，熟悉整套仿真系统的使用方法及步骤，而线上主要由专业教师进行集中教学管理、资源管理、考核管理等，学生可以通过网络平台进行相应的烟气净化仿真操作练习、系统嵌入的PDF素材及Flash动画等资源的查看学习，随时留下学习中发现的问题，由线上教师负责答疑。实验教学当中，教师通过提问、质疑等方式激发学生充分发挥想象，对烟气净化装备结构等提出新的想法，充分发掘学生的创造潜能，并引导学生提高解决实际问题的综合能力。教师可以根据具体的课程需要进行线上的仿真考试，掌握学生的学习动态和学习效果，督促学生学习，提高学生学习的积极性。

结合目前虚拟仿真实验所具有的功能和课程教学要求，烟气净化装备虚拟仿真实验完整实施过程有如下6个步骤：（1）右键以管理员身份运行“烟气净化装备虚拟仿真实验.exe”。（2）在弹出的对话框中选择分辨率1280*720，勾选“window”，点击“play”。（3）在窗口中，将鼠标放置在左上角，弹出菜单。（4）点击“任务”，出现播放的案例。（5）点击案例“烟气净化工艺系统原理展示”，出现画面，左键关闭黑板右上角的乘号图标，点击左侧“menu”。（6）点击示范操作即可案例播放。

五、实验内容及步骤

烟气净化装备虚拟仿真实验主要包括烟气净化工艺流程优化设计、烟气净化装置结构组成认识、烟气净化装置结构优化、烟气净化装置操作优化、烟气净化装置故障诊断5个模块。在烟气净化装备虚拟仿真实验中，主要是让学生熟悉烟气净化的脱硝、静电除尘、脱硫工艺流程，掌握烟气净化的脱硝、静电除尘、脱硫核心装备的工作原理和结构以及性能参数对脱硝、除尘、脱硫效率的影响，掌握脱硝、静电除尘、脱硫装备和操作参数优化设计方法。在实验中记录实验的过程，熟悉如何操作烟气净化装备和故障诊断分析。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，分析烟气净化的效率和效果，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。在实验过程中根据实验指导书中提出的问题，对实验现象和过程进行判断。

实验步骤具体如下：（1）针对典型的燃煤锅炉、钢铁冶炼烧成焦化、水泥窑等尾气，分析不同的烟气组成和不同烟气净化工艺的优缺点及使用场合，进行烟气净化系统工艺优化设计。（2）对烟气净化装置中核心设备脱硝反应器、静电除尘器本体、脱硫喷淋塔烟气净化动画仿真、零部件展示和模拟组装，掌握核心设备结构的主要功能和装配方法。（3）针对烟气净化装置中脱硝反应器、静电除尘器本体、脱硫喷淋塔不同结构与操作参数进行结构分析实验和对比实验来优化提高脱硝、除尘和脱硫效率。（4）对烟气净化装置中脱硝反应器、静电除尘器本体、脱硫喷淋塔中与脱硝效率、除尘效率和脫硫效率影响的核心结构进行探索性创新设计实验，掌握提高脱硝效率、除尘效率和脱硫效率的有效方法。（5）结合工艺流程演示采用析因实验法分析故障产生的原因，掌握故障排除的方法。

六、结论

通过完成虚拟实验任务，能有效调动学生的学习积极性，既让学生较为真实地感受了烟气净化场景，生动直观地再现了脱硝、脱硫、静电除尘等机电装备的结构和工作过程，又帮助学生掌握了相关理论知识。实验采用3D虚拟现实技术，为学生逼真展现脱硝反应器、静电除尘器和脱硫喷淋吸收塔等机电设备的内部结构、工作原理与性能特点，为学生熟悉烟气净化生产环境，掌握烟气净化装置机械设计、工作原理，研究设备与环保脱硝、除尘、脱硫效率的匹配关系具有重要意义。烟气净化装备虚拟仿真实验教学，能够加深学生对烟气净化系统复杂结构、工作原理和工作过程的认知程度，提高学生的专业兴趣和创新创业能力。

参考文献：

[1]刘培玲.应用型本科院校虚拟仿真实验教学体系构建的探索[J].大学教育，2018，（8）.

[2]刘麦，张琦，等.高职院校虚拟仿真实验信息化教学模式研究[J].科教导刊，2018，7（21）.