煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗建設

曹衛 陽程 周海

摘要：針對我校過程裝備與控制工程專業煙氣凈化脫硝、除塵、脫硫實驗設備的大型化、高成本、高消耗、高維護、操作危險等特殊性建設虛擬仿真實驗，確定實驗方案、實驗目的、實驗教學方法、實驗實施過程、實驗內容和實驗步驟，從而實現傳統實驗室難以完成的教學功能，使教學更直觀，提高實驗教學效果，培養出更能適應社會、經濟、科技需求的具有實踐能力的節能環保應用型人才。

關鍵詞：煙氣凈化；裝備；虛擬仿真；實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）34-0277-02

一、實驗方案設計

以煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗教學資源為中心，開設虛擬煙氣凈化工藝布置、虛擬脫硝、靜電除塵、脫硫裝備結構和操作參數優化等一系列虛擬仿真實驗，營造開放共享的虛擬仿真實驗教學環境，最終建設成集虛擬資源、創新設計和教學管理于一體，具有良好自主性、交互性、可擴展性和安全性的虛擬仿真實驗項目。借助江蘇某環保股份有限公司的先進技術力量、實體資源、運行數據及研發實力，同時依托我校機械設計制造及其自動化品牌專業，江蘇高校生態建材與環保裝備協同創新中心和江蘇省新型環保重點實驗室教學資源共同研發、共同使用。針對煙氣凈化等過程設備設計課程的需求以及人才培養的具體要求，確定教學資源的研發重點，提出了按照煙氣凈化實際全生產流程（煙氣發生→脫硝→靜電除塵→脫硫→潔凈煙氣排放）高仿真的教學構建模式，形成教學資源相互聯系、交叉、支撐的實驗教學系統，使學生在虛擬環境中開展實驗活動，提高學生的工程實踐能力和創新能力。

二、實驗目的

基于工藝裝備模型進行參數調整和優化結構，以達到提高脫硝、除塵、脫硫效果，滿足環保達標要求的目的。開展系統的煙氣凈化裝置控制與優化虛擬仿真實驗，讓學生了解并掌握脫硫、脫硝、除塵工藝技術，掌握脫硫、脫硝、除塵裝備工作原理及結構，熟悉脫硫、脫硝、除塵裝備的操作規程并進行優化調整，使學生在虛擬環境中，不受時間、空間的制約，隨時隨地進入虛擬實驗室進行虛擬實驗操作，最大化利用教學資源，從而激發學生的學習主動性，培養研究興趣，提高獨立分析解決問題和創新設計的能力。

三、實驗教學方法

在實驗教學中，以熟悉煙氣凈化裝置的結構和操作使用方式為目的，強調煙氣凈化裝置結構組成、工作原理及性能特點與凈化工藝和效率的關系，將課本抽象的知識形象化，使學生能夠較為真實地體會煙氣凈化過程，并將知識點融會貫通，切實掌握煙氣凈化裝置的理論知識。實驗中遵循以學生為中心的教學理念，讓學生親自動手操作和演示實驗裝置，教師負責實驗方法的講解和實驗過程監控，并對學生在操控、演示中出現的問題加以引導，通過啟發的形式使學生認識出現問題的關鍵所在，增強學生對知識的獲取興趣和獲取能力，培養學生知識學習、發現問題、分析問題、解決問題的能力。教師通過提問、質疑等方式激發學生充分發揮想象，對煙氣凈化裝備結構等提出新的想法，充分發掘學生的創造潛能，并引導學生提高解決實際問題的綜合能力。

四、實施過程

實驗教學采用線下與線上結合的方式進行。線下主要由學生根據教師要求進行仿真練習，熟悉整套仿真系統的使用方法及步驟，而線上主要由專業教師進行集中教學管理、資源管理、考核管理等，學生可以通過網絡平臺進行相應的煙氣凈化仿真操作練習、系統嵌入的PDF素材及Flash動畫等資源的查看學習，隨時留下學習中發現的問題，由線上教師負責答疑。實驗教學當中，教師通過提問、質疑等方式激發學生充分發揮想象，對煙氣凈化裝備結構等提出新的想法，充分發掘學生的創造潛能，并引導學生提高解決實際問題的綜合能力。教師可以根據具體的課程需要進行線上的仿真考試，掌握學生的學習動態和學習效果，督促學生學習，提高學生學習的積極性。

結合目前虛擬仿真實驗所具有的功能和課程教學要求，煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗完整實施過程有如下6個步驟：（1）右鍵以管理員身份運行“煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗.exe”。（2）在彈出的對話框中選擇分辨率1280*720，勾選“window”，點擊“play”。（3）在窗口中，將鼠標放置在左上角，彈出菜單。（4）點擊“任務”，出現播放的案例。（5）點擊案例“煙氣凈化工藝系統原理展示”，出現畫面，左鍵關閉黑板右上角的乘號圖標，點擊左側“menu”。（6）點擊示范操作即可案例播放。

五、實驗內容及步驟

煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗主要包括煙氣凈化工藝流程優化設計、煙氣凈化裝置結構組成認識、煙氣凈化裝置結構優化、煙氣凈化裝置操作優化、煙氣凈化裝置故障診斷5個模塊。在煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗中，主要是讓學生熟悉煙氣凈化的脫硝、靜電除塵、脫硫工藝流程，掌握煙氣凈化的脫硝、靜電除塵、脫硫核心裝備的工作原理和結構以及性能參數對脫硝、除塵、脫硫效率的影響，掌握脫硝、靜電除塵、脫硫裝備和操作參數優化設計方法。在實驗中記錄實驗的過程，熟悉如何操作煙氣凈化裝備和故障診斷分析。在實驗中，針對不同煙氣成分和顆粒性質，調整局部結構和操作參數進行仿真實驗，通過觀察物質反應、多相流流場特性來調整模型結構，分析煙氣凈化的效率和效果，進而對比分析煙氣性質、操作參數和結構參數對煙氣凈化效率和效果之間的關系，從而掌握節能降耗的基本規律。在實驗結果中需要觀察現象和結合數據分析得到實驗結論。在實驗過程中根據實驗指導書中提出的問題，對實驗現象和過程進行判斷。

實驗步驟具體如下：（1）針對典型的燃煤鍋爐、鋼鐵冶煉燒成焦化、水泥窯等尾氣，分析不同的煙氣組成和不同煙氣凈化工藝的優缺點及使用場合，進行煙氣凈化系統工藝優化設計。（2）對煙氣凈化裝置中核心設備脫硝反應器、靜電除塵器本體、脫硫噴淋塔煙氣凈化動畫仿真、零部件展示和模擬組裝，掌握核心設備結構的主要功能和裝配方法。（3）針對煙氣凈化裝置中脫硝反應器、靜電除塵器本體、脫硫噴淋塔不同結構與操作參數進行結構分析實驗和對比實驗來優化提高脫硝、除塵和脫硫效率。（4）對煙氣凈化裝置中脫硝反應器、靜電除塵器本體、脫硫噴淋塔中與脫硝效率、除塵效率和脫硫效率影響的核心結構進行探索性創新設計實驗，掌握提高脫硝效率、除塵效率和脫硫效率的有效方法。（5）結合工藝流程演示采用析因實驗法分析故障產生的原因，掌握故障排除的方法。

六、結論

通過完成虛擬實驗任務，能有效調動學生的學習積極性，既讓學生較為真實地感受了煙氣凈化場景，生動直觀地再現了脫硝、脫硫、靜電除塵等機電裝備的結構和工作過程，又幫助學生掌握了相關理論知識。實驗采用3D虛擬現實技術，為學生逼真展現脫硝反應器、靜電除塵器和脫硫噴淋吸收塔等機電設備的內部結構、工作原理與性能特點，為學生熟悉煙氣凈化生產環境，掌握煙氣凈化裝置機械設計、工作原理，研究設備與環保脫硝、除塵、脫硫效率的匹配關系具有重要意義。煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗教學，能夠加深學生對煙氣凈化系統復雜結構、工作原理和工作過程的認知程度，提高學生的專業興趣和創新創業能力。

參考文獻：

[1]劉培玲.應用型本科院校虛擬仿真實驗教學體系構建的探索[J].大學教育，2018，（8）.

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