朱元清 石杰 馮永明

摘? ? 要：有深度的實驗教學(xué)和良好的實驗教學(xué)效果反饋在船舶動力專業(yè)人才培養(yǎng)過程中尤為重要，針對船舶尾氣NOx、SOx、PM等污染物減排問題，設(shè)計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)新實驗平臺（SCR—EGC），提出了實驗部分（實驗報告）、理論部分（知識競賽）和課后部分（心得體會）的三段式成績考核方式，將催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測等理論知識教學(xué)融入船舶尾氣凈化的特定場景。學(xué)生反饋表明，該實驗可以加深學(xué)生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測技術(shù)等專業(yè)知識的理解，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)雜工程問題和實踐創(chuàng)新的能力。

關(guān)鍵詞：船舶尾氣；污染物凈化；污染物檢測；實驗教學(xué)；實驗平臺建設(shè)

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2024）03-0019-03

基于船舶營運(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，國際海事組織（IMO）及歐美等國相繼制定了嚴(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，我國交通運(yùn)輸部將珠三角、長三角、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]。我國對船舶的排放控制正在逐步加強(qiáng)，但與國外相比仍較滯后[3]。由于歐洲和北美洲為我國的最大貿(mào)易區(qū)域，往來于我國和歐洲、北美洲新舊船必須滿足更嚴(yán)格的IMO Tier III排放限制要求及我國沿海排放限制要求。

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排放其他污染物，如何同時脫除多種污染物也是亟待解決的問題。為滿足越來越嚴(yán)格的氮氧化物排放法規(guī)，以及脫除未來可能的其他船舶污染物離不開技術(shù)支撐與儲備，這需要在船舶動力專業(yè)人才培養(yǎng)的過程中加強(qiáng)關(guān)于船舶污染物相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，加深學(xué)生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測技術(shù)等專業(yè)知識的認(rèn)識和理解，培養(yǎng)具有解決船舶污染物排放能力的創(chuàng)新型人才。

一、船舶污染物實驗教學(xué)是培養(yǎng)船舶動力專業(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)越來越嚴(yán)格的背景下，社會對船舶動力專業(yè)人才也有了更高的要求。然而，由于近年來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，大眾對傳統(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)污染物減排知識的興趣不高，但這并不意味著傳統(tǒng)污染物減排知識的學(xué)習(xí)不重要，掌握傳統(tǒng)的船舶污染物減排知識有助于學(xué)生更好地理解船舶動力行業(yè)的需求。如何打破傳統(tǒng)污染物減排教學(xué)尷尬位置，提高船舶動力專業(yè)本科生對于船舶污染物減排知識的創(chuàng)新應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型船舶動力專業(yè)人才，是擺在船舶動力專業(yè)教師面前的一個課題。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枯燥，理論教學(xué)雖然能讓學(xué)生記住污染物減排知識，但是學(xué)生難以靈活應(yīng)用和創(chuàng)新。

實驗教學(xué)是大學(xué)教育教學(xué)的重要組成部分[4]，對于學(xué)生知識理解、實踐能力和創(chuàng)新思維等培養(yǎng)目標(biāo)具有重要貢獻(xiàn)。然而，高校實驗教學(xué)常面臨著學(xué)生在實驗課上參與度不高，內(nèi)容和手段落后于學(xué)科發(fā)展前沿和生產(chǎn)實際等問題，這些問題導(dǎo)致實驗教學(xué)無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，嚴(yán)重制約著船舶動力專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。但是，實驗教學(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)生的動手能力和解決工程問題的能力，對于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有不可替代的作用[5-6]。因此，船舶污染物實驗教學(xué)是打破傳統(tǒng)污染物減排教學(xué)尷尬處境，提高船舶動力專業(yè)本科生對于船舶污染物減排知識的創(chuàng)新應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型船舶動力專業(yè)人才的重要手段。

二、船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實驗平臺

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裝配SCR系統(tǒng)或EGC系統(tǒng)，或同時裝配SCR—EGC系統(tǒng)。

（一）實驗平臺的搭建

為了加深學(xué)生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測技術(shù)等專業(yè)知識的認(rèn)識和理解，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題和實踐創(chuàng)新的能力，培養(yǎng)優(yōu)秀的船舶動力專業(yè)人才，設(shè)計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)新實驗平臺（SCR—EGC）。本實驗教學(xué)平臺采用濰柴動力有限公司140kW WD10C195-15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)行測控系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)、廢氣測量采樣系統(tǒng)，具體包括柴油機(jī)本體、測功機(jī)、SCR反應(yīng)器、干式脫硫吸收塔、Horiba PG-350廢氣分析儀等。柴油機(jī)運(yùn)行測控系統(tǒng)用于監(jiān)測和控制柴油機(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，廢氣測量采樣系統(tǒng)用于測量廢氣中的常規(guī)氣態(tài)排放物（O2、SOx、CO2、CO和NOx）的含量。

（二）實驗平臺的創(chuàng)新

船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實驗平臺有兩個主要的創(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，二是同時安裝SCR反應(yīng)器和干式脫硫吸收塔實現(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，實驗室直接進(jìn)行低速柴油機(jī)臺架教學(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。基于這些差異，制定了四沖程中高速柴油機(jī)模擬二沖程低速柴油機(jī)廢氣條件實驗方案：（1）對四沖程柴油機(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。

該實驗平臺同時安裝SCR反應(yīng)器和干式脫硫吸收塔實現(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，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）實驗教學(xué)

利用該實驗教學(xué)平臺，可以進(jìn)行催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測等理論知識在特定場景下的案例教學(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)行實驗，指導(dǎo)學(xué)生測量發(fā)動機(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，結(jié)合催化脫硝理論、NOx檢測方法、NOx排放法規(guī)等知識的講解，使學(xué)生了解船用發(fā)動機(jī)的NOx排放水平，深入理解船用發(fā)動機(jī)NOx污染物的減排原理。

柴油機(jī)采用非標(biāo)高硫油進(jìn)行實驗，指導(dǎo)學(xué)生測量發(fā)動機(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，結(jié)合吸附脫硫理論、SOx檢測方法、SOx排放法規(guī)等知識的講解，使學(xué)生了解船用發(fā)動機(jī)的SOx排放水平，深入理解船用發(fā)動機(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)行實驗，測量發(fā)動機(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，結(jié)合聯(lián)合脫硫脫硝等知識的講解，使學(xué)生深入理解船用發(fā)動機(jī)聯(lián)合脫硫脫硝的原理。

3.NOx轉(zhuǎn)換與修正教學(xué)。本實驗用柴油機(jī)標(biāo)況下轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，根據(jù)《船用柴油機(jī)氮氧化物排放試驗及檢驗指南》中對NOx加權(quán)排放值的規(guī)定，其滿足IMO Tier III的NOx排放限值為2.08 g/kW·h，計算公式見公式（1）。各工況點極值為限值的1.5倍，即3.13 g/kW·h。

mNOx=9×n-0.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中mNOx——NOx比排放量。

實驗中測量的NOx單位為ppm，而IMO Tier III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)動機(jī)功率，單位kW；m——排氣流量，單位m3/h。

實驗中污染物裝置測量的廢氣組分濃度是干基條件下的裝置計算顯示的結(jié)果，而大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)中的限制是在濕基條件，所以在計算該SCR系統(tǒng)的排放是否滿足排放標(biāo)準(zhǔn)時，通常需要將測得的數(shù)據(jù)乘以干/濕修正系數(shù)。

4.SO2轉(zhuǎn)換與修正教學(xué)。因為燃油硫含量限值與SO2/CO2比值存在對應(yīng)關(guān)系，比如，SO2/CO2<4.3，則對應(yīng)的硫含量限值<0.1%（見表1），所以測量廢氣中SO2、CO2，計算兩者的比值進(jìn)而判斷處理后的廢氣是否滿足排放法規(guī)。

（四）成績考核

成績考核分為三部分：實驗部分、理論部分和課后部分，成績占比分別為40%、40%和20%。實驗部分：學(xué)生分為若干組，在教師的講解下進(jìn)行實驗，撰寫實驗報告，根據(jù)實驗表現(xiàn)及實驗報告評分，成績占比為40%，該部分鍛煉學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的實驗思維。理論部分：建立船舶污染物知識題庫，學(xué)生分為若干組，舉行知識競賽，根據(jù)小組搶答的總分計算個人成績，成績占比為40%，該部分將實驗與理論緊密結(jié)合，加深學(xué)生對相關(guān)知識的掌握，此外通過學(xué)生的答題表現(xiàn)能夠獲得學(xué)生對實驗的掌握程度。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)撰寫該實驗的心得體會，成績占比為20%，該部分是為了讓學(xué)生通過專業(yè)知識的學(xué)習(xí)更深刻地認(rèn)識到船舶污染物減排的重要性，并通過學(xué)生的心得體會評估實驗教學(xué)的效果。

三、實驗教學(xué)的思考

傳統(tǒng)實驗教學(xué)的內(nèi)容多為測量數(shù)據(jù)，且經(jīng)常根據(jù)實驗報告評定學(xué)生的成績，但采用傳統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的方式，即簡單的測量廢氣中的成分含量，不能讓學(xué)生獲得真正的鍛煉。此外，實驗報告一般有固定的規(guī)范，很明顯通過實驗報告也不能確定學(xué)生是否真正掌握了相關(guān)內(nèi)容。因此，為加深學(xué)生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測技術(shù)等專業(yè)知識的認(rèn)識和理解，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)新實驗設(shè)計與創(chuàng)新意識，有深度的實驗教學(xué)和良好的實驗教學(xué)效果反饋尤為重要。

利用船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實驗平臺進(jìn)行實驗教學(xué)，可以使整個實驗教學(xué)過程中理論與實驗緊密結(jié)合，相輔相成，能夠使學(xué)生獲得真正的鍛煉。

實驗部分（實驗報告，40%）、理論部分（知識競賽，40%）和課后部分（心得體會，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，及時掌握學(xué)生對相關(guān)知識的掌握。學(xué)生的反饋表明，船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實驗平臺將催化脫硝、吸附脫硫及污染物檢測等理論教學(xué)與實驗教學(xué)相統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，遵循基礎(chǔ)性、綜合性、研究性、開放性的基本原則[7]，加深了學(xué)生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測技術(shù)等專業(yè)知識的理解，為日后“燃燒學(xué)基礎(chǔ)”等重要專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

四、結(jié)語

船用柴油機(jī)脫硫脫硝創(chuàng)新實驗平臺通過調(diào)節(jié)四沖程中高速柴油機(jī)的廢氣溫度、廢氣成分、廢氣壓力模擬二沖程低速柴油機(jī)廢氣條件，采用SCR和干式脫硫吸收塔同時脫除廢氣中的NOx、SOx。結(jié)果表明：利用非標(biāo)高硫燃油，該系統(tǒng)可以較好地模擬船用低速柴油機(jī)典型排氣條件下污染物的處理過程；該實驗可以加深學(xué)生對船舶污染物排放水平、尾氣后處理技術(shù)及污染物檢測技術(shù)等專業(yè)知識的認(rèn)識和理解，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)新實驗設(shè)計與創(chuàng)新意識，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題和實踐創(chuàng)新能力。

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