《工業廢氣凈化技術與設備》虛擬仿真實驗教學
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摘要：文章分析了《工業廢氣凈化技術與設備》課程傳統實驗教學的不足，運用虛擬仿真技術構建逼真的脫硝、靜電除塵、脫硫實驗操作環境和實驗對象。根據課程內容和特點設置實驗項目，以虛擬仿真技術為核心，把工藝、裝備和多相流融合為一體，制作教學案例，滿足課程教學目標，并制定完善的評價體系和標準，提高評價的公正和公平性，從而達到真實實驗難以實現的教學效果。
關鍵詞：虛擬仿真；實驗；教學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）29-0279-02
《工業廢氣凈化技術與設備》課程的內容主要是各種煙氣脫硝、除塵、脫硫技術和相應設備的使用。傳統的《工業廢氣凈化技術與設備》實驗通常是利用硬件實驗設備進行的，在實際教學中，存在以下不足：
?、贌煔鈨艋Ч蛩胤治鲈趯嶒灛F象中觀察不到，無法找到最佳參數；②設備固定在系統中，針對不同煙氣無法進行優化調整，難以培養學生的綜合設計能力；③學生無法進行設備結構改進，難以達到提高凈化效果的目的；④設備維護成本高；⑤實驗項目固定且難以更新；⑥實驗時間和地點固定，學生不能根據自己的學習進度安排實驗時間。這些問題極大地限制了實驗課程教學目標的實現。開展系統的煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗，真實再現煙氣處理過程，讓學生在實際的虛擬仿真操作過程中，熟悉煙氣凈化技術，加強對所學知識的理解，提高創新設計的能力。
一、建立“虛實結合”的綜合實驗室
（一）虛擬仿真實驗室建立
虛擬仿真實驗室的建立是《工業廢氣凈化技術與設備》實驗課程改革的硬件基礎。原來的實驗室是單純的硬件實驗室，主要為一臺脫硝反應器、一臺布袋除塵器、一臺脫硫噴淋塔，只能供一組18名學生完成裝備的認識和測繪實驗。改建后的實驗室增加了30臺計算機，每臺計算機均安裝定制開發的煙氣凈化裝備虛擬仿真軟件，可供學生構建煙氣凈化裝備虛擬仿真工藝系統設計、裝備的結構認知和組裝、裝備的結構和參數優化以及故障診斷等虛擬仿真實驗。
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1.煙氣凈化工藝系統的布置虛擬仿真實驗。煙氣凈化系統涉及脫硝、脫硫、除塵等多個操作單元，主要的核心設備脫硝反應器、除塵器本體、脫硫塔對燃煤鍋爐的運行穩定性和安全性至關重要。煙氣凈化系統必須能夠滿足環保凈化超低排放要求，并提高設備的運行穩定性、可靠性和系統的工藝安全性，降低成本和煙氣凈化負荷。針對不同的煙氣組分特點、滿足性能等要求，比較不同的工藝布置方案的優缺點，進而優化組合最佳的工藝系統方案，達到提高凈化效果和節能降耗的目的。
2.脫硝裝備虛擬仿真實驗。通過三維仿真及虛擬現實技術動態模擬演示脫硝工藝氨的存儲系統、噴氨系統、氨與空氣混合系統以及檢測控制系統布置，學生通過交互操作，熟識、掌握脫硝裝置的結構和工作原理，并進行SCR安裝位置、催化劑、噴氨格柵的優化和導流板的創新設計。通過交互方式改變反應溫度、反應時間、實際的n（NH3/NOX）、NH3與NOX的湍流混合程度等參數，體驗并練習達到環保脫硝指標要求，調整反應溫度、反應時間、實際的n（NH3/NOX）、NH3與NOX的湍流混合程度等操作，掌握脫硝裝置的性能特點，分析嚴重的流場不均、催化劑活性不足和噴氨格柵結構缺陷等問題造成NOX排放不達標或空氣預熱器堵塞加劇、壓差增大等故障原因，并進行排除。
3.靜電除塵虛擬仿真實驗。通過三維仿真及虛擬現實技術動態模擬演示靜電除塵器本體系統和提供高壓直流電的供電裝置以及低壓自動控制系統布置，學生通過交互操作，熟識、掌握靜電除塵器的結構和工作原理，并進行極配形式、極間距、外殼的氣密性、振打錘的大小和搖臂的長短的優化和氣流旁路、氣流均布板的創新設計。通過交互方式改變工作電壓、氣流速度、進口含塵濃度和濕度、煙氣溫度和壓力、粉塵比電阻、供電裝置的控制方式等，體驗并練習達到環保除塵指標要求，調整工作電壓、粉塵比電阻、供電裝置的控制方式等操作，掌握靜電除塵器的性能特點，分析保溫圈的連接線燒壞、堵灰、電暈線斷裂、收塵板燒變形等故障原因，并進行排除。
4.脫硫裝備虛擬仿真實驗。通過三維仿真及虛擬現實技術動態模擬演示石灰石—石膏煙氣脫硫系統的石灰石漿制備系統、吸收系統、煙氣再熱系統、石膏脫水系統、廢水處理系統布置，學生通過交互操作，熟識、掌握脫硫系統噴淋吸收塔的結構和工作原理，并進行噴淋層設計和噴嘴角度的優化。
5.脫白虛擬仿真實驗。通過三維仿真及虛擬現實技術動態模擬演示脫白加熱器布置，學生通過交互操作，熟識、掌握脫白工作原理，并進行溫度和濕度的優化。通過交互方式改變溫度和濕度參數，體驗并練習達到環保脫白指標要求，調整溫度和濕度操作，掌握脫白裝置的性能特點。
二、虛擬仿真實驗示例
在煙氣凈化工藝系統原理實驗中，基于軟件操作界面，學生可以根據三種不同的煙氣凈化處理步驟，拖動以上裝備分別到正確的位置，正確排列凈化裝備順序，完成本次練習，進入下一實驗步驟。虛擬仿真軟件中對不同裝備進行高亮提示，可通過鼠標點選交互式操作，以完成煙氣凈化裝備的相關部件的結構認知和零件組裝過程。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。
三、虛擬仿真實驗考核
煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗系統對學生在實驗過程中的實驗步驟和參數設置進行自動記錄，并在實驗操作完成后自動給出學生實驗考核成績?？己艘笕缦卤砜己嗽u分表所示。
四、結語
煙氣凈化裝備虛擬仿真實驗教學綜合應用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等技術，通過構建逼真的脫硝、靜電除塵、脫硫實驗操作環境和實驗對象，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、安全且經濟的實驗，進而達到真實實驗難以實現的教學效果。脫硝、靜電除塵、脫硫實驗涉及高溫和腐蝕性介質，實驗成本和消耗高，實驗設備為大型非標，且實驗項目綜合性強，而虛擬仿真實驗系統則體現了信息技術與教育教學融合發展和與學科專業深度融合帶來的實驗教學改革與創新。
參考文獻：
[1]童志權.工業廢氣凈化與利用[M].北京：化學工業出版社，2001.
[2]朱劍林，侯睿.虛擬仿真實驗在計算機網絡課程教學中的應用[J].教育教學論壇，2016，4（17）.
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