實(shí)驗(yàn)教學(xué)在船舶動(dòng)力專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中的實(shí)踐與思考

摘

要：有深度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果反饋在船舶動(dòng)力專業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中尤為重要，針對(duì)船舶尾氣NOx、SOx、PM等污染物減排問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于選擇性催化還原技術(shù)——干式脫硫技術(shù)的船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（SCR—EGC），提出了實(shí)驗(yàn)部分（實(shí)驗(yàn)報(bào)告）、理論部分（知識(shí)競(jìng)賽）和課后部分（心得體會(huì)）的三段式成績(jī)考核方式，將催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測(cè)等理論知識(shí)教學(xué)融入船舶尾氣凈化的特定場(chǎng)景。學(xué)生反饋表明，該實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)知識(shí)的理解，為日后相關(guān)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題和實(shí)踐創(chuàng)新的能力。關(guān)鍵詞：船舶尾氣；污染物凈化；污染物檢測(cè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)基于船舶營(yíng)運(yùn)成本考慮，船用低速柴油機(jī)常采用劣質(zhì)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(fā)性有機(jī)物（VOC）等多種污染物，給海洋環(huán)境和港口大氣造成了嚴(yán)重的污染，對(duì)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(guó)際海事組織（IMO）及歐美等國(guó)相繼制定了嚴(yán)格的船舶廢氣污染物排放法規(guī)，并在指定排放控制區(qū)域（ECA）內(nèi)強(qiáng)制實(shí)施更加嚴(yán)格NOx、SOx排放標(biāo)準(zhǔn)，直接影響了歐洲、北美洲相關(guān)港口及其航線。2016年，我國(guó)交通運(yùn)輸部將珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海（京津冀）水域設(shè)立為船舶大氣污染物排放控制區(qū)，并在2019年將三大船舶污染物排放區(qū)擴(kuò)展至沿海12海里內(nèi)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(cè)重[2]。我國(guó)對(duì)船舶的排放控制正在逐步加強(qiáng)，但與國(guó)外相比仍較滯后[3]。由于歐洲和北美洲為我國(guó)的最大貿(mào)易區(qū)域，往來(lái)于我國(guó)和歐洲、北美洲新舊船必須滿足更嚴(yán)格的IMOTierIII排放限制要求及我國(guó)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(shù)變革不斷推進(jìn)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(zhì)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(huì)排放其他污染物，如何同時(shí)脫除多種污染物也是亟待解決的問(wèn)題。為滿足越來(lái)越嚴(yán)格的氮氧化物排放法規(guī)，以及脫除未來(lái)可能的其他船舶污染物離不開(kāi)技術(shù)支撐與儲(chǔ)備，這需要在船舶動(dòng)力專業(yè)人才培養(yǎng)的過(guò)程中加強(qiáng)關(guān)于船舶污染物相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，加深學(xué)生對(duì)船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，培養(yǎng)具有解決船舶污染物排放能力的創(chuàng)新型人才。一、船舶污染物實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)船舶動(dòng)力專業(yè)創(chuàng)新人才的重要手段在當(dāng)前船舶污染物排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格的背景下，社會(huì)對(duì)船舶動(dòng)力專業(yè)人才也有了更高的要求。然而，由于近年來(lái)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(guān)注的焦點(diǎn)，大眾對(duì)傳統(tǒng)污染物減排的關(guān)心減弱，這也導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)傳統(tǒng)污染物減排知識(shí)的興趣不高，但這并不意味著傳統(tǒng)污染物減排知識(shí)的學(xué)習(xí)不重要，掌握傳統(tǒng)的船舶污染物減排知識(shí)有助于學(xué)生更好地理解船舶動(dòng)力行業(yè)的需求。如何打破傳統(tǒng)污染物減排教學(xué)尷尬位置，提高船舶動(dòng)力專業(yè)本科生對(duì)于船舶污染物減排知識(shí)的創(chuàng)新應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型船舶動(dòng)力專業(yè)人才，是擺在船舶動(dòng)力專業(yè)教師面前的一個(gè)課題。一方面，船舶污染物比較抽象，學(xué)生難以清晰地認(rèn)識(shí)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(shí)枯燥，理論教學(xué)雖然能讓學(xué)生記住污染物減排知識(shí)，但是學(xué)生難以靈活應(yīng)用和創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是大學(xué)教育教學(xué)的重要組成部分[4]，對(duì)于學(xué)生知識(shí)理解、實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維等培養(yǎng)目標(biāo)具有重要貢獻(xiàn)。然而，高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)常面臨著學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上參與度不高，內(nèi)容和手段落后于學(xué)科發(fā)展前沿和生產(chǎn)實(shí)際等問(wèn)題，這些問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，嚴(yán)重制約著船舶動(dòng)力專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。但是，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性是毋庸置疑的，是高校高水平應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要載體，能夠提升學(xué)生的動(dòng)手能力和解決工程問(wèn)題的能力，對(duì)于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有不可替代的作用[5-6]。因此，船舶污染物實(shí)驗(yàn)教學(xué)是打破傳統(tǒng)污染物減排教學(xué)尷尬處境，提高船舶動(dòng)力專業(yè)本科生對(duì)于船舶污染物減排知識(shí)的創(chuàng)新應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型船舶動(dòng)力專業(yè)人才的重要手段。二、船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇性催化還原技術(shù)（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(nèi)，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(lái)減少NOx排放的技術(shù)。從技術(shù)成熟度及應(yīng)用范圍而言，SCR技術(shù)是IMO公認(rèn)的唯一可用于各類船舶發(fā)動(dòng)機(jī)和船型的NOx減排技術(shù)。干式脫硫技術(shù)（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(huán)流化床的傳熱、傳質(zhì)特性，可以附帶脫除廢氣中部分CO2、NOx、PM等物質(zhì)。根據(jù)船舶燃料類型（高硫、低硫或不含硫）及污染物處理技術(shù)路線，新建船舶可以采用單獨(dú)裝配SCR系統(tǒng)或EGC系統(tǒng)，或同時(shí)裝配SCR—EGC系統(tǒng)。（一）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建為了加深學(xué)生對(duì)船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題和實(shí)踐創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)優(yōu)秀的船舶動(dòng)力專業(yè)人才，設(shè)計(jì)了一套基于選擇性催化還原技術(shù)——干式脫硫技術(shù)的船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（SCR—EGC）。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用濰柴動(dòng)力有限公司140kWWD10C195-15型船用四沖程中高速柴油機(jī)模擬二沖程低速柴油機(jī)排氣條件，主要組成：柴油機(jī)運(yùn)行測(cè)控系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、廢氣測(cè)量采樣系統(tǒng)，具體包括柴油機(jī)本體、測(cè)功機(jī)、SCR反應(yīng)器、干式脫硫吸收塔、HoribaPG-350廢氣分析儀等。柴油機(jī)運(yùn)行測(cè)控系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)和控制柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，后處理系統(tǒng)用于脫除廢氣中的污染物，廢氣測(cè)量采樣系統(tǒng)用于測(cè)量廢氣中的常規(guī)氣態(tài)排放物（O2、SOx、CO2、CO和NOx）的含量。（二）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的創(chuàng)新船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有兩個(gè)主要的創(chuàng)新：一是采用船用四沖程柴油機(jī)成功模擬了船用二沖程低速機(jī)的廢氣條件，二是同時(shí)安裝SCR反應(yīng)器和干式脫硫吸收塔實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合脫硫脫硝。由于船用低速柴油機(jī)功率大、體積大且耗油量高，實(shí)驗(yàn)室直接進(jìn)行低速柴油機(jī)臺(tái)架教學(xué)成本很高。四沖程中高速柴油機(jī)與二沖程低速柴油機(jī)在廢氣溫度、廢氣成分、廢氣壓力等方面存在差異?；谶@些差異，制定了四沖程中高速柴油機(jī)模擬二沖程低速柴油機(jī)廢氣條件實(shí)驗(yàn)方案：（1）對(duì)四沖程柴油機(jī)廢氣溫度進(jìn)行調(diào)整，排氣管路中布置氣—液冷卻器，以完成廢氣冷卻，調(diào)整廢氣溫度；（2）對(duì)四沖程柴油機(jī)廢氣成分進(jìn)行調(diào)整，燃用非標(biāo)高硫燃油，使其廢氣中含有SOx；（3）對(duì)四沖程廢氣壓力進(jìn)行調(diào)整，排氣管路末端設(shè)置蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥組，調(diào)整廢氣壓力，渦輪后廢氣壓力調(diào)整范圍3kPa～6kPa。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)同時(shí)安裝SCR反應(yīng)器和干式脫硫吸收塔實(shí)現(xiàn)聯(lián)合脫硫脫硝。SCR反應(yīng)器安裝于柴油機(jī)的排氣管后，凈化廢氣中的NOx污染物，柴油機(jī)正常工作時(shí)，在SCR反應(yīng)器的上游，噴入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fā)霧化，并發(fā)生熱解反應(yīng)，分解為NH3和CO2，隨后NH3在V2O5-WO3/TiO2催化劑的作用下與NOx發(fā)生選擇性催化還原反應(yīng)生成N2和H2O；干式脫硫吸收塔安裝于SCR反應(yīng)器之后，凈化廢氣中的SOx、PM等污染物，廢氣首先采用軸向擴(kuò)散的方式進(jìn)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(nèi)進(jìn)行SOx、PM和少部分NOx的處理過(guò)程。最后，潔凈的廢氣經(jīng)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(nèi)再排出。（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)利用該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以進(jìn)行催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測(cè)等理論知識(shí)在特定場(chǎng)景下的案例教學(xué)，也可以進(jìn)行不同裝置中污染物單一脫除、協(xié)同脫除及污染物檢測(cè)的探索性教學(xué)。1.污染物單一脫除教學(xué)。柴油機(jī)采用非標(biāo)高硫油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)25%、50%、75%和100%負(fù)荷下SCR系統(tǒng)前后廢氣中的NOx含量。同時(shí)，結(jié)合催化脫硝理論、NOx檢測(cè)方法、NOx排放法規(guī)等知識(shí)的講解，使學(xué)生了解船用發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放水平，深入理解船用發(fā)動(dòng)機(jī)NOx污染物的減排原理。柴油機(jī)采用非標(biāo)高硫油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)學(xué)生測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)25%、50%、75%和100%負(fù)荷下SCR系統(tǒng)前后廢氣中的SOx含量。同時(shí)，結(jié)合吸附脫硫理論、SOx檢測(cè)方法、SOx排放法規(guī)等知識(shí)的講解，使學(xué)生了解船用發(fā)動(dòng)機(jī)的SOx排放水平，深入理解船用發(fā)動(dòng)機(jī)SOx污染物的減排原理。2.污染物協(xié)同脫除教學(xué)。柴油機(jī)采用非標(biāo)高硫油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)25%、50%、75%和100%負(fù)荷下SCR-EGC系統(tǒng)前后廢氣中的NOx、SOx含量。同時(shí)，結(jié)合聯(lián)合脫硫脫硝等知識(shí)的講解，使學(xué)生深入理解船用發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合脫硫脫硝的原理。3.NOx轉(zhuǎn)換與修正教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)用柴油機(jī)標(biāo)況下轉(zhuǎn)速為1500r/min，根據(jù)《船用柴油機(jī)氮氧化物排放試驗(yàn)及檢驗(yàn)指南》中對(duì)NOx加權(quán)排放值的規(guī)定，其滿足IMOTierIII的NOx排放限值為2.08g/kW·h，計(jì)算公式見(jiàn)公式（1）。各工況點(diǎn)極值為限值的1.5倍，即3.13g/kW·h。mNOx=9×n-0.2

（1）式中mNOx——NOx比排放量。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的NOx單位為ppm，而IMOTierIII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(jìn)行進(jìn)一步分析。采用公式（2）—（4）進(jìn)行轉(zhuǎn)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(shù)，取0.9；Mppmd——干基NOx濃度，單位ppm；Mmg——NOx質(zhì)量流量，單位mg/m3；M——NOx平均摩爾質(zhì)量；Mg——NOx比排放量，單位g/kW·h；Ne——發(fā)動(dòng)機(jī)功率，單位kW；m——排氣流量，單位m3/h。實(shí)驗(yàn)中污染物裝置測(cè)量的廢氣組分濃度是干基條件下的裝置計(jì)算顯示的結(jié)果，而大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)中的限制是在濕基條件，所以在計(jì)算該SCR系統(tǒng)的排放是否滿足排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通常需要將測(cè)得的數(shù)據(jù)乘以干/濕修正系數(shù)。4.SO2轉(zhuǎn)換與修正教學(xué)。因?yàn)槿加土蚝肯拗蹬cSO2/CO2比值存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如，SO2/CO2<4.3，則對(duì)應(yīng)的硫含量限值<0.1%（見(jiàn)表1），所以測(cè)量廢氣中SO2、CO2，計(jì)算兩者的比值進(jìn)而判斷處理后的廢氣是否滿足排放法規(guī)。（四）成績(jī)考核成績(jī)考核分為三部分：實(shí)驗(yàn)部分、理論部分和課后部分，成績(jī)占比分別為40%、40%和20%。實(shí)驗(yàn)部分：學(xué)生分為若干組，在教師的講解下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分，成績(jī)占比為40%，該部分鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)思維。理論部分：建立船舶污染物知識(shí)題庫(kù)，學(xué)生分為若干組，舉行知識(shí)競(jìng)賽，根據(jù)小組搶答的總分計(jì)算個(gè)人成績(jī)，成績(jī)占比為40%，該部分將實(shí)驗(yàn)與理論緊密結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握，此外通過(guò)學(xué)生的答題表現(xiàn)能夠獲得學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握程度。課后部分：在本學(xué)期期末學(xué)生學(xué)習(xí)完“燃燒學(xué)基礎(chǔ)”等專業(yè)課后，學(xué)生結(jié)合專業(yè)課的學(xué)習(xí)撰寫(xiě)該實(shí)驗(yàn)的心得體會(huì)，成績(jī)占比為20%，該部分是為了讓學(xué)生通過(guò)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)更深刻地認(rèn)識(shí)到船舶污染物減排的重要性，并通過(guò)學(xué)生的心得體會(huì)評(píng)估實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容多為測(cè)量數(shù)據(jù)，且經(jīng)常根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定學(xué)生的成績(jī)，但采用傳統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的方式，即簡(jiǎn)單的測(cè)量廢氣中的成分含量，不能讓學(xué)生獲得真正的鍛煉。此外，實(shí)驗(yàn)報(bào)告一般有固定的規(guī)范，很明顯通過(guò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告也不能確定學(xué)生是否真正掌握了相關(guān)內(nèi)容。因此，為加深學(xué)生對(duì)船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，掌握船舶尾氣污染物處理技術(shù)路線及裝置選型方法，鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新意識(shí)，有深度的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果反饋尤為重要。利用船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以使整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，相輔相成，能夠使學(xué)生獲得真正的鍛煉。實(shí)驗(yàn)部分（實(shí)驗(yàn)報(bào)告，40%）、理論部分（知識(shí)競(jìng)賽，40%）和課后部分（心得體會(huì)，20%）的三段式考核方式具有科學(xué)性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)良好的反饋效果，及時(shí)掌握學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。學(xué)生的反饋表明，船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測(cè)等理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，遵循基礎(chǔ)性、綜合性、研究性、開(kāi)放性的基本原則[7]，加深了學(xué)生對(duì)船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測(cè)技術(shù)等專業(yè)知識(shí)