实验教学在船舶动力专业人才培养过程中的实践与思考

朱元清 石杰 冯永明

摘    要：有深度的实验教学和良好的实验教学效果反馈在船舶动力专业人才培养过程中尤为重要，针对船舶尾气NOx、SOx、PM等污染物减排问题，设计了一套基于选择性催化还原技术——干式脱硫技术的船用柴油机脱硫脱硝创新实验平台（SCR—EGC），提出了实验部分（实验报告）、理论部分（知识竞赛）和课后部分（心得体会）的三段式成绩考核方式，将催化脱硝、吸附脱硫及污染物检测等理论知识教学融入船舶尾气净化的特定场景。学生反馈表明，该实验可以加深学生对船舶污染物排放水平、尾气后处理技术及污染物检测技术等专业知识的理解，为日后相关专业课的学习奠定良好的基础，提高学生解决复杂工程问题和实践创新的能力。

关键词：船舶尾气；污染物净化；污染物检测；实验教学；实验平台建设

中图分类号：G642.0          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2024）03-0019-03

基于船舶营运成本考虑，船用低速柴油机常采用劣质含硫渣油（HFO），其燃烧所排放的尾气中必然含有大量的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）、二氧化碳（CO2）、颗粒物（PM）以及挥发性有机物（VOC）等多种污染物，给海洋环境和港口大气造成了严重的污染，对人类健康造成很大危害[1]。为了限制船舶尾气污染物排放，国际海事组织（IMO）及欧美等国相继制定了严格的船舶废气污染物排放法规，并在指定排放控制区域（ECA）内强制实施更加严格NOx、SOx排放标准，直接影响了欧洲、北美洲相关港口及其航线。2016年，我国交通运输部将珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域设立为船舶大气污染物排放控制区，并在2019年将三大船舶污染物排放区扩展至沿海12海里内的所有海域及港口，控制重心从控制硫氧化物（SOx）向控制氮氧化物（NOx）侧重[2]。我国对船舶的排放控制正在逐步加强，但与国外相比仍较滞后[3]。由于欧洲和北美洲为我国的最大贸易区域，往来于我国和欧洲、北美洲新旧船必须满足更严格的IMO Tier III排放限制要求及我国沿海排放限制要求。

虽然在全球温室气体减排的大背景下，能源技术变革不断推进与深化，以甲醇、氨气、氢气等为代表的低碳燃料、零碳燃料必将取代劣质含硫渣油，从而减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会排放其他污染物，如何同时脱除多种污染物也是亟待解决的问题。为满足越来越严格的氮氧化物排放法规，以及脱除未来可能的其他船舶污染物离不开技术支撑与储备，这需要在船舶动力专业人才培养的过程中加强关于船舶污染物相关内容的教学，加深学生对船舶污染物排放水平、尾气后处理技术及污染物检测技术等专业知识的认识和理解，培养具有解决船舶污染物排放能力的创新型人才。

一、船舶污染物实验教学是培养船舶动力专业创新人才的重要手段

在当前船舶污染物排放法规越来越严格的背景下，社会对船舶动力专业人才也有了更高的要求。然而，由于近年来全球温室气体减排热度的升高，降低温室气体的排放成为了关注的焦点，大众对传统污染物减排的关心减弱，这也导致学生学习传统污染物减排知识的兴趣不高，但这并不意味着传统污染物减排知识的学习不重要，掌握传统的船舶污染物减排知识有助于学生更好地理解船舶动力行业的需求。如何打破传统污染物减排教学尴尬位置，提高船舶动力专业本科生对于船舶污染物减排知识的创新应用能力，培养创新型船舶动力专业人才，是摆在船舶动力专业教师面前的一个课题。一方面，船舶污染物比较抽象，学生难以清晰地认识到船舶污染物的排放水平以及船舶污染物减排的重要性；另一方面，船舶污染物减排知识枯燥，理论教学虽然能让学生记住污染物减排知识，但是学生难以灵活应用和创新。

实验教学是大学教育教学的重要组成部分[4]，对于学生知识理解、实践能力和创新思维等培养目标具有重要贡献。然而，高校实验教学常面临着学生在实验课上参与度不高，内容和手段落后于学科发展前沿和生产实际等问题，这些问题导致实验教学无法达到预期目标，严重制约着船舶动力专业人才培养质量。但是，实验教学的重要性是毋庸置疑的，是高校高水平应用型人才培养的重要载体，能够提升学生的动手能力和解决工程问题的能力，对于创新型人才的培养具有不可替代的作用[5-6]。因此，船舶污染物实验教学是打破传统污染物减排教学尴尬处境，提高船舶动力专业本科生对于船舶污染物减排知识的创新应用能力，培养创新型船舶动力专业人才的重要手段。

二、船用柴油机脱硫脱硝创新实验平台

选择性催化还原技术（SCR）是指在催化剂和氧气存在的条件下，在较低的温度范围（280℃～420℃）内，还原劑（如NH3、CO或HC等）有选择地将废气中的NOx还原成为N2和H2O，来减少NOx排放的技术。从技术成熟度及应用范围而言，SCR技术是IMO公认的唯一可用于各类船舶发动机和船型的NOx减排技术。干式脱硫技术（EGC）是在脱硫吸收塔中装填颗粒碱性脱硫吸收剂脱除硫氧化物，且由于循环流化床的传热、传质特性，可以附带脱除废气中部分CO2、NOx、PM等物质。根据船舶燃料类型（高硫、低硫或不含硫）及污染物处理技术路线，新建船舶可以采用单独装配SCR系统或EGC系统，或同时装配SCR—EGC系统。

（一）实验平台的搭建

为了加深学生对船舶污染物排放水平、尾气后处理技术及污染物检测技术等专业知识的认识和理解，提高学生解决复杂工程问题和实践创新的能力，培养优秀的船舶动力专业人才，设计了一套基于选择性催化还原技术——干式脱硫技术的船用柴油机脱硫脱硝创新实验平台（SCR—EGC）。本实验教学平台采用潍柴动力有限公司140kW WD10C195-15型船用四冲程中高速柴油机模拟二冲程低速柴油机排气条件，主要组成：柴油机运行测控系统、后处理系统、废气测量采样系统，具体包括柴油机本体、测功机、SCR反应器、干式脱硫吸收塔、Horiba PG-350废气分析仪等。柴油机运行测控系统用于监测和控制柴油机的运行状态，后处理系统用于脱除废气中的污染物，废气测量采样系统用于测量废气中的常规气态排放物（O2、SOx、CO2、CO和NOx）的含量。

（二）实验平台的创新

船用柴油机脱硫脱硝创新实验平台有两个主要的创新：一是采用船用四冲程柴油机成功模拟了船用二冲程低速机的废气条件，二是同时安装SCR反应器和干式脱硫吸收塔实现了联合脱硫脱硝。

由于船用低速柴油机功率大、体积大且耗油量高，实验室直接进行低速柴油机台架教学成本很高。四冲程中高速柴油机与二冲程低速柴油机在废气温度、废气成分、废气压力等方面存在差异。基于这些差异，制定了四冲程中高速柴油机模拟二冲程低速柴油机废气条件实验方案：（1）对四冲程柴油机废气温度进行调整，排气管路中布置气—液冷却器，以完成废气冷却，调整废气温度；（2）对四冲程柴油机废气成分进行调整，燃用非标高硫燃油，使其废气中含有SOx；（3）对四冲程废氣压力进行调整，排气管路末端设置蒸汽压力调节阀组，调整废气压力，涡轮后废气压力调整范围3kPa～6kPa。

该实验平台同时安装SCR反应器和干式脱硫吸收塔实现联合脱硫脱硝。SCR反应器安装于柴油机的排气管后，净化废气中的NOx污染物，柴油机正常工作时，在SCR反应器的上游，喷入质量分数为32.5%的尿素溶液，在废气的加热作用下，尿素溶液得以蒸发雾化，并发生热解反应，分解为NH3和CO2，随后NH3在V2O5-WO3/TiO2催化剂的作用下与NOx发生选择性催化还原反应生成N2和H2O；干式脱硫吸收塔安装于SCR反应器之后，净化废气中的SOx、PM等污染物，废气首先采用轴向扩散的方式进入填满吸收塔的氢氧化钙颗粒中，在240℃～450℃的工作温度范围内进行SOx、PM和少部分NOx的处理过程。最后，洁净的废气经由处于吸收塔四角的方形冲孔出口管道，汇入出口混合腔内再排出。

（三）实验教学

利用该实验教学平台，可以进行催化脱硝、吸附脱硫及污染物检测等理论知识在特定场景下的案例教学，也可以进行不同装置中污染物单一脱除、协同脱除及污染物检测的探索性教学。

1.污染物单一脱除教学。柴油机采用非标高硫油进行实验，指导学生测量发动机25%、50%、75%和100%负荷下SCR系统前后废气中的NOx含量。同时，结合催化脱硝理论、NOx检测方法、NOx排放法规等知识的讲解，使学生了解船用发动机的NOx排放水平，深入理解船用发动机NOx污染物的减排原理。

柴油机采用非标高硫油进行实验，指导学生测量发动机25%、50%、75%和100%负荷下SCR系统前后废气中的SOx含量。同时，结合吸附脱硫理论、SOx检测方法、SOx排放法规等知识的讲解，使学生了解船用发动机的SOx排放水平，深入理解船用发动机SOx污染物的减排原理。

2.污染物协同脱除教学。柴油机采用非标高硫油进行实验，测量发动机25%、50%、75%和100%负荷下SCR-EGC系统前后废气中的NOx、SOx含量。同时，结合联合脱硫脱硝等知识的讲解，使学生深入理解船用发动机联合脱硫脱硝的原理。

3.NOx转换与修正教学。本实验用柴油机标况下转速为1 500 r/min，根据《船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南》中对NOx加权排放值的规定，其满足IMO Tier III的NOx排放限值为2.08 g/kW·h，计算公式见公式（1）。各工况点极值为限值的1.5倍，即3.13 g/kW·h。

mNOx=9×n-0.2                     （1）

式中mNOx——NOx比排放量。

实验中测量的NOx单位为ppm，而IMO Tier III的NOx排放限值的单位为g/kW·h，所以需要将其换算成g/kW·h进行进一步分析。采用公式（2）—（4）进行转换。

Mppmw=α·Mppmd                    （2）

Mmg=        ·Mppmw                    （3）

Mg=       ·Mmg                     （4）

式中Mppmw——湿基NOx浓度，单位ppm；α——干/湿修正系数，取0.9；Mppmd——干基NOx浓度，单位ppm；Mmg——NOx质量流量，单位mg/m3；M——NOx平均摩尔质量；Mg——NOx比排放量，单位g/kW·h；Ne——发动机功率，单位kW；m——排气流量，单位m3/h。

实验中污染物装置测量的废气组分浓度是干基条件下的装置计算显示的结果，而大气污染排放标准中的限制是在湿基条件，所以在计算该SCR系统的排放是否满足排放标准时，通常需要将测得的数据乘以干/湿修正系数。

4.SO2转换与修正教学。因为燃油硫含量限值与SO2/CO2比值存在对应关系，比如，SO2/CO2<4.3，则对应的硫含量限值<0.1%（见表1），所以测量废气中SO2、CO2，计算两者的比值进而判断处理后的废气是否满足排放法规。

（四）成绩考核

成绩考核分为三部分：实验部分、理论部分和课后部分，成绩占比分别为40%、40%和20%。实验部分：学生分为若干组，在教师的讲解下进行实验，撰写实验报告，根据实验表现及实验报告评分，成绩占比为40%，该部分锻炼学生的动手能力，培养学生的实验思维。理论部分：建立船舶污染物知识题库，学生分为若干组，举行知识竞赛，根据小组抢答的总分计算个人成绩，成绩占比为40%，该部分将实验与理论紧密结合，加深学生对相关知识的掌握，此外通过学生的答题表现能够获得学生对实验的掌握程度。课后部分：在本学期期末学生学习完“燃烧学基础”等专业课后，学生结合专业课的学习撰写该实验的心得体会，成绩占比为20%，该部分是为了让学生通过专业知识的学习更深刻地认识到船舶污染物减排的重要性，并通过学生的心得体会评估实验教学的效果。

三、实验教学的思考

传统实验教学的内容多为测量数据，且经常根据实验报告评定学生的成绩，但采用传统测量数据的方式，即简单的测量废气中的成分含量，不能让学生获得真正的锻炼。此外，实验报告一般有固定的规范，很明显通过实验报告也不能确定学生是否真正掌握了相关内容。因此，为加深学生对船舶污染物排放水平、尾气后处理技术及污染物检测技术等专业知识的认识和理解，掌握船舶尾气污染物处理技术路线及装置选型方法，锻炼学生自主创新实验设计与创新意识，有深度的实验教学和良好的实验教学效果反馈尤为重要。

利用船用柴油机脱硫脱硝创新实验平台进行实验教学，可以使整个实验教学过程中理论与实验紧密结合，相辅相成，能够使学生获得真正的锻炼。

实验部分（实验报告，40%）、理论部分（知识竞赛，40%）和课后部分（心得体会，20%）的三段式考核方式具有科学性，并且能够实现良好的反馈效果，及时掌握学生对相关知识的掌握。学生的反馈表明，船用柴油机脱硫脱硝创新实验平台将催化脱硝、吸附脱硫及污染物检测等理论教学与实验教学相统筹协调，遵循基础性、综合性、研究性、开放性的基本原则[7]，加深了学生对船舶污染物排放水平、尾气后处理技术及污染物检测技术等专业知识的理解，为日后“燃烧学基础”等重要专业课的学习奠定良好的基础。

四、结语

船用柴油机脱硫脱硝创新实验平台通过调节四冲程中高速柴油机的废气温度、废气成分、废气压力模拟二冲程低速柴油机废气条件，采用SCR和干式脱硫吸收塔同时脱除废气中的NOx、SOx。结果表明：利用非标高硫燃油，该系统可以较好地模拟船用低速柴油机典型排气条件下污染物的处理过程；该实验可以加深学生对船舶污染物排放水平、尾气后处理技术及污染物检测技术等专业知识的认识和理解，掌握船舶尾气污染物处理技术路线及装置选型方法，锻炼学生自主创新实验设计与创新意识，提高学生解决复杂工程问题和实践创新能力。

参考文献：

[1]  朱元清.船用低速柴油机SCR技术的发展与应用[J].船舶工程，2020（10）.

[2]  张达.船舶大气污染物排放防治技术发展趋势[J].中国水运（下半月），2023（2）.

[3]  李军伟，张晓红，张新民.我国船舶大气污染物排放及控制研究[J].资源节约与环保，2020（10）.

[4]  厉旭云，梅汝焕，王梦令，等.对高校实验教学在人才能力素质培养中的作用的剖析[J].实验技术与管理，2014（5）.

[5]  张玉平，徐洲，林忠钦.新时期一流大学实验室建设与管理探索[J].实验室研究与探索，2011（3）.

[6]  林胜男，邹海燕，张欢.新工科背景下地方高校实验教学平台建设路径[J].实验技术与管理，2021（12）.

[7]  王國强，傅承新.研究型大学创新实验教学体系的构建[J].高等工程教育研究，2006（1）.