基于超低排放的SCR脱硝系...仿真实验教学改革方案的设计_张维.pdf

-39-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期基于超低排放的SCR脱硝系统虚拟仿真实验教学改革方案的设计张维1，闫俊1，唐恒福2（1.贵州理工学院 资源与环境工程学院，贵州贵阳 550000；2.北京欧倍尔软件技术开发有限公司，北京 100000）摘要：在新工科教育背景下，如何将课堂上的理论知识与工程实践完美结合，是工科专业需重点探讨的内容。该文就我国燃煤电厂现行的超低排放政策，以及传统的 SCR 脱硝系统实验存在的高成本、高消耗、占地面积大、设备维护难等问题，对基于超低排放的 SCR 脱硝系统虚拟仿真实验教学改革方案进行设计，以期进一步提高学生理论联系实际、工程应用以及解决复杂工程问题的综合能力。关键词：虚拟仿真；实验教学；新工科教育；方案设计；SCR 脱硝系统；工程应用中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2096-5206(2023)03(b)-0039-03Design of Virtual Simulation Experiment Teaching Reform Scheme of SCR Denitration System Based on Ultra-Low EmissionZHANG Wei1,YAN Jun1,TANG Hengfu2(1.School of Resources and Environmental Engineering,Guizhou Institute of Technology,Guiyang Guizhou,550000,China;2.Beijing Oubeier Software Technology Development Co.,LTD,Beijing,100000,China)Abstract:Under the background of the new engineering education,how to perfectly combine the theoretical knowledge in the classroom and engineering practice is a key topic for engineering majors.Based on the current ultra-low emission policy of coal-fired power plants,and the problems of high cost,high consumption,occuping large area and difficult equipment maintenance of traditional SCR denitration system experiment,this paper designs the virtual simulation experiment teaching reform scheme of SCR denitration system based on ultra-low emission,so as to further improve students comprehensive ability of combining theory with practice,engineering application and solving complex engineering problems.Key words:Virtual simulation;Experiment teaching;The new engineering education;Scheme design;SCR denitration system;Application in engineering课题项目：2020 年北京象新力科技有限公司教育部产学合作协同育人项目：基于超低排放的 SCR 脱硝系统虚拟仿真实验项目设计与应用（202002066029）。作者简介：张维（1989-），女，湖北赤壁人，硕士研究生，实验师，研究方向：土壤中汞的迁移转化及污染防治。气体，是造成光化学烟雾和酸雨的重要因素，因此，研究燃煤电厂脱硝效率更高的技术和控制因素十分必要。SCR（选择性催化还原法）是一种干法脱硝技术，其较高的脱硝效率（70%90%）可使燃煤电厂的 NOX实现超低排放2-4。在新工科教育背景下，对工科专业学生而言，如何将课堂上的理论知识与实践完美结合，是当前工科专业教育教学需重点研究的内容5-10。SCR 脱硝工艺中还原剂（氨气）的添加量、温度控制、催化剂的种类选择至关重要11-14，这些关键参数都会影响最终排放的NOx 浓度是否能长期稳定实现“超低排放”。基于此，本文就 SCR 的实验教学和实施路径进行设计，并对SCR 脱硝系统模型进行参数调整和结构优化，开展系统的 SCR 脱硝系统虚拟仿真装置控制及参数调控，使学生在虚拟环境中开展有毒有害气体防治实验活动，提高学生的工程实践能力和创新能力。近年来，随着新能源的开发、投入和使用，我国能源消费总量中煤炭消费量占比不断降低，但煤炭仍是最主要的一次能源，燃煤发电亦是我国电力供应的主要来源。2013 年以来，国内大型火力发电企业主动倡导、推动了“超低排放”，通过污染控制单元关键技术升级改造或采用新技术、新设备，实现了常规污染物如颗粒物、SO2、NOX的减排，并逐渐得到国家及社会的认可。2015 年 3 月，十二届全国人大三次会议 政府工作报告 明确要求“推动燃煤电厂超低排放改造”1。燃煤发电厂末端烟气排放的氮氧化物是一种有毒有害-40-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期1实验目的通过开展 SCR 脱硝系统虚拟仿真实验，使学生了解 SCR 脱硝工艺流程，掌握 SCR 脱硝基本工作原理，熟悉 SCR 脱硝工艺中各种参数选择、工艺调试及模块搭建。该实验的主要目的如下：（1）掌握 SCR 脱硝工艺的处理流程，掌握 SCR 脱硝工艺的实际工程应用范围，了解 SCR 脱硝工艺与其他脱硝工艺相比的优势。（2）掌握 SCR 脱硝工艺的基本原理，掌握 SCR 反应器 NOx 入口速度、浓度和还原剂氨的浓度及喷氨速率对脱硝性能的影响。（3）掌握 SCR 脱硝工艺在烟气处理中的基本工艺参数，如氨气的添加量、氨氮比、温度、催化剂种类、催化剂元件尺寸、催化剂层数等；掌握满足超低排放要求的最佳工艺参数设计。（4）掌握各类工艺参数的设计计算，熟悉 SCR 脱硝工艺的实际工程运用模式及运行管理过程。（5）进一步掌握复杂工艺设备对气态污染物的去除机理及去除效率的影响因素，掌握 SCR 脱硝工艺在正常工况下的操作管理，以及在事故工况下的事故分析和处理方法。2实验原理在本实验中，SCR 脱硝反应器以氨气为还原剂。液氨通过槽罐车运输到氨区，存储于液氨储罐内。当脱硝反应开始时，液氨经过液氨蒸发器与蒸汽换热，蒸发产生的氨气暂存于氨气缓冲罐内，经过与空气充分混合且被稀释到浓度为5%后喷入SCR脱硝反应器内，在反应器内经过催化剂催化将烟气中的 NOX还原为N2和 H2O。同时，通过蒸汽吹灰的方式，清除附着在催化剂上以及堆积在 SCR 反应器内的颗粒物，以减少颗粒物对脱硝效率的影响。SCR工艺流程如图1所示。3实验方案设计与实施路径3.1 模式介绍本款软件通过采用 3D 建模仿真技术，应用 Unity 3D、ZBrush、Adobe Flash、Visual Studio 等技术建立了清晰流畅的画面质量、提供了动态仿真及身临其境的体验感。本软件能够实现 SCR 脱硝单元场景全方位自主漫游，让学生在虚拟场景最大化体验实验过程和现场调研。通过菜单引导和虚拟仿真操作，学生可以体验完整的 SCR 脱硝处理流程，如启动氨气缓冲罐阀门并设置喷氨量，观察脱硝效果；选择催化剂种类、催化剂元件尺寸、催化剂层数并进行模块搭建；事故工况下排查原因，合理调整相应参数等。这些操作不但能够让学生体验燃煤电厂 SCR 脱硝工段的运转，主动参与到脱硝处理的各个流程中，加强事故工况的应急处理能力，而且可以将工艺理论与实践结合起来，形成工程知识到实践运用的完整映射。3.2 SCR 脱硝工艺单元设备及阀门SCR 脱硝工艺单元具体设备及阀门见表 1。3.3 虚拟仿真实验内容该虚拟仿真实验项目包括知识点学习、仿真操作、事故分析三个方面。通过三个层次的系统学习操作，着力加深学生对理论知识点的理解和掌握程度，提升学生理论联系实际的能力。（1）知识点学习。本实验自主学习内容丰富，学生可通过基础知识介绍、工艺讲解、操作过程中的注意事项和工艺讲解视频等自主学习，进一步巩固课堂理论知识。其中工艺讲解中，以 3D 形式展示 SCR 真实脱硝工艺过程及工艺原理，全面仿真模拟氨区操作、SCR脱硝过程；同时以文字、动画和特效形式模拟典型烟气处理中 SCR 的工作原理和实际运行过程，直观形象地展现其内外部形态机构及工作原理。（2）仿真操作。本实验仿真操作包括系统运行前准备及锅炉运行虚拟仿真操作、氨区工段虚拟仿真操作、SCR 脱硝工段虚拟仿真操作。学生可自主进行关键参数的设计计算，如还原剂氨的浓度及喷氨速率、催化剂尺寸及层数等，同时通过 NOX出口浓度是否达标判定关键参数的设计合理性。（3）事故分析。事故类型主要为污染物（NOX）排放浓度超标，事故原因为氨气供应量不足，对应虚拟图 1 SCR 工艺流程图-41-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期仿真操作为核查氨气缓冲罐喷氨量，增大氨气缓冲罐出口阀门开度，直至污染物（NOX）排放浓度达标。3.4 考核方式本虚拟仿真实验项目在教学过程中，根据学生知识点掌握情况、仿真操作情况、事故分析情况和实验报告进行综合考核评价。其中，上机实验成绩占总成绩的 70%，实验报告成绩占总成绩的 30%。（1）知识点学习。通过设置客观题目（选择题、填空题、判断题）测评，系统根据测验答题准确率给定理论知识学习成绩，着重提升学生自主学习能力。（2）仿真操作。通过检验学生实验模拟操作熟练程度，考查学生对基本操作技能的掌握程度，并在试卷运行界面显示仿真操作分数。该部分内容重点考查学生对 SCR 脱硝处理流程的熟悉程度和数据分析总结能力，着重强化学生扎实的理工科基础。（3）事故分析。考核学生指标分析、运行管理以及突发状况处理等相关能力。根据操作情况、综合反应能力和调试运行总结来考核评分，着重考查学生解决复杂工程问题的综合能力。（4）实验报告。学生根据虚拟仿真软件学习结果撰写实验报告，回答思考题，教师对实验报告进行评分，考核学生综合实践能力。对以上四个项目分别进行打分，加权累计后即为本项目的最终考核分数。4结语通过“基于超低排放的 SCR 脱硝系统虚拟仿真实验”教学改革方案的设计，学生能够较好地认知典型燃煤电厂的脱硝流程及主要单元的工艺原理，掌握各单元的工艺特点及影响脱硝效率的重要设计参数，熟悉常见事故工况及应急处理措施。该实验项目亦可辅助用于环境工程、环境科学专业生产实习、课程设计，达到“虚实结合”的实验学习目的。参考文献1 李克强.政府工作报告(全文)2015 年 3 月 5日在第十二届全国人民代表大会第三次会议上 J.休闲农业与美丽乡村,2015(4):4-17.2 臧剑波.水泥窑尾系统烟气 SCR 脱硝工艺优化方法 J.中国水泥,2022(6):63-67.3 王德鑫,曲立涛,李超,等.超低排放煤电机组SCR 脱硝装置运行状态研究与分析 J.东北电力技术,2022,43(7):32-36.4 王乐乐,杨敏,吴善森,等.典型燃煤电厂 SCR 脱硝系统超低排放运行优化J.热力发电,2020,49(9):156-162.5 罗薇楠,杨国靖,沙昊雷,等.应用型本科环境工程学实验混合式教学模式改革 J.教育教学论坛,2022(10):79-82.6 王家宏,于生慧,景立明.轻化工特色环境工程专业实践创新平台建设的探索 J.高教学刊,2021,7(25):27-30.7 蔡永兵,李飞跃,王艳