本发明涉及一种适用于高硫煤的协同脱除细颗粒物和三氧化硫的装置及其方法，属于大气污染物治理技术领域。
背景技术：
电厂燃煤过程中产生的空气动力学直径小于2.5um的细颗粒物(pm2.5)已成为我国突出的大气环境问题，是导致大气能见度降低、雾霾天气和全球气候变化等重大环境问题的重要因素。目前我国近90%~95%的燃煤电厂所使用的除尘设备为干式静电除尘器，虽然其对燃煤烟气中粗颗粒的收集效率可达99.9%乃至更高，但是由于干式静电除尘器的除尘机理所导致的“穿透窗口”的存在，其对以亚微米为主的pm2.5的捕集效率却不高。为满足日益严格的火电机组污染物排放标准，有必要发展新技术来降低pm2.5的排放。
此外，在燃煤电厂中，锅炉燃烧以及烟气经scr系统催化后，都会产生一定量的so3，尤其对于含硫量大于3%的高硫煤，因其细粒分散状黄铁矿和有机硫无法通过物理方法脱除，使燃烧后的烟气中so3含量较高。由于so3极易与水结合形成硫酸酸雾，有很强的毒性，同时会使烟气酸露点升高，腐蚀下游设备，并产生“蓝羽”现象，对生态环境和人类健康都有较大危害，因此对高硫煤燃烧产生烟气中的so3进行控制已迫在眉睫。
综上所述，有必要对能够协同脱除高硫煤燃烧烟气中pm2.5与so3的技术进行开发。目前，工业上可实现协同脱除pm2.5与so3的技术主要为包括低低温电除尘与湿式电除尘技术。但是，低低温电除尘会使烟道长度增加，布置复杂，提高烟道阻力和电耗，并造成烟道腐蚀，使基建投资、故障、维护费用大大增加，并不适用于现有电厂的超低排放改造；而湿式电除尘技术虽然对pm2.5脱除效率较高，但是对so3的脱除效率不高，仅为50%~65%左右，同时造价昂贵，国内应用并不多。因此，有必要开发一种造价较低且能够方便安装于现有电厂的协同脱除高硫煤燃烧烟气中pm2.5与so3的技术。
技术实现要素：
技术问题：本发明针对现有技术存在的工艺及设备布置复杂，不能有效协同脱除pm2.5与so3的不足，提供一种适用于高硫煤的协同脱除细颗粒物和三氧化硫的装置及其方法，能方便安装于现有电厂中，有效促进pm2.5的长大，降低烟气中pm2.5与so3的排放，实现pm2.5与so3的协同脱除。
技术方案：一种适用于高硫煤的协同脱除细颗粒物和三氧化硫的装置，该装置包括化学团聚系统、渐缩渐扩管道部分、循环气泵和静电除尘器，所述化学团聚系统由团聚剂储罐、计量泵、空压机、双流体雾化喷嘴组成，其中团聚剂储罐与计量泵、双流体雾化喷嘴依次连接构成液路，空压机与双流体雾化喷嘴连接构成气路；所述渐缩渐扩管道部分由渐缩前管道、渐缩段管道、渐扩段管道与渐扩后管道构成，渐缩段管道与渐扩段管道连接处为喉口位置，且该喉口位置上设有开孔；所述循环气泵进气口位于渐扩后管道上，循环气泵出气口与喉口位置上的开孔连接，双流体雾化喷嘴设于渐缩前管道内，静电除尘器与渐扩后管道末端连接。
进一步，所述双流体雾化喷嘴喷入团聚剂方向为逆向烟气来流方向。
进一步，所述双流体雾化喷嘴与渐缩段管道入口之间距离和喉口位置直径之比为1~2∶1。
进一步，所述渐缩渐扩管道部分，渐缩前管道直径与喉口位置直径、渐扩后管道直径之比为2.5∶1∶2，渐缩前管道长度与喉口位置直径之比为4~6∶1，渐缩段管道长度与喉口位置直径之比为3~5∶1，渐扩段管道长度与喉口位置直径之比为1.5~3∶1，渐扩后管道长度与喉口位置直径之比为6~8∶1。
进一步，所述循环气泵进气口与静电除尘器入口之间距离与喉口位置直径之比为8~10∶1。
一种基于上述装置的适用于高硫煤的协同脱除细颗粒物和三氧化硫的方法，该方法包括以下步骤：
（1）将高硫煤燃烧产生的高温烟气引入渐缩渐扩管道部分，首先经过渐缩前管道，打开化学团聚系统中的计量泵和空压机，从而控制双流体雾化喷嘴向渐缩前管道内的高温烟气喷射团聚剂，团聚剂雾滴在渐缩前管道中蒸发，团聚剂中的高分子链与高温烟气中pm2.5发生吸附絮凝，促使pm2.5团聚长大，同时使高温烟气温度降低；
（2）降温后的烟气经过渐缩段管道与渐扩段管道之间的喉口位置时，利用渐缩渐扩管道部分射流效应降低温度，使烟气温度在喉口位置进一步降低至酸露点以下，促使so3凝结于飞灰上；同时通过循环气泵抽取渐扩后管道内的部分烟气喷射进入渐缩渐扩管道喉口位置，使烟道内形成湍流流场，促使pm2.5颗粒物之间相互碰撞团聚，同时延长烟气停留时间，促进so3在飞灰上的凝结；
（3）最后固化于飞灰上的so3和团聚长大的pm2.5被静电除尘器脱除。
进一步，所述的团聚剂为润湿剂与高分子聚合物的混合水溶液，其中润湿剂质量百分含量为0.01%~0.03%，高分子聚合物质量百分含量为0.05%~0.10%；团聚剂溶液温度为25~50℃，向烟气中的添加量为0.5~2.5g/m3。
进一步，所述循环气泵抽取气量为烟气总气量的10%~20%，循环气泵出口气速为20~30m/s。
有益效果：
（1）本发明利用化学团聚剂中高分子链对烟气中pm2.5的吸附絮凝作用，以及循环气泵在渐缩渐扩管道喉口位置产生射流作用引起湍流流场，促使烟气中pm2.5碰撞团聚，粒径增大，避开静电除尘器的“穿透窗口”粒径范围，大大提高了静电除尘器对pm2.5的脱除效率。
（2）本发明利用团聚剂中水分的蒸发使烟气温度降低，以及渐缩渐扩管道喉口部位产生射流效应所导致的烟气温度进一步降低，促使so3与水分子结合形成so3酸雾，凝结于飞灰上并与飞灰中碱性物质反应，使so3固化于飞灰上被后续静电除尘器脱除。
（3）本发明利用循环气泵抽取静电除尘器前的部分烟气喷射进入渐缩渐扩管道喉口位置产生射流，使烟道内形成湍流流场，一方面促使烟气中pm2.5颗粒物之间相互碰撞、团聚长大，另一方面延长烟气停留时间，促进so3在飞灰上的凝结与反应，保证化学团聚剂喷雾在进入静电除尘器之前完全蒸发利用，提高pm2.5与so3的脱除效率，同时不增加原烟道中烟气量，不会影响锅炉热效率。
（4）本发明工艺简单，只需在静电除尘器前的烟道中进行改造即可协同脱除高硫煤燃烧烟气中的pm2.5及so3，方便在现有电厂中安装，投资及运行费用较低，可广泛应用于安装有静电除尘器的燃煤电站锅炉和工业锅炉系统中。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图中∶1-团聚剂储罐；2-计量泵；3-空压机；4-循环气泵；5-双流体雾化喷嘴；6-渐缩前管道；7-渐缩段管道；8-渐扩段管道；9-渐扩后管道；10-静电除尘器。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明做详细说明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。
实施例1
一种适用于高硫煤的协同脱除细颗粒物和三氧化硫的装置，该装置包括化学团聚系统、渐缩渐扩管道部分、循环气泵4和静电除尘器10，所述化学团聚系统由团聚剂储罐1、计量泵2、空压机3、双流体雾化喷嘴5组成，其中团聚剂储罐1与计量泵2、双流体雾化喷嘴5依次连接构成液路，空压机3与双流体雾化喷嘴5连接构成气路；所述渐缩渐扩管道部分由渐缩前管道6、渐缩段管道7、渐扩段管道8与渐扩后管道9构成，渐缩段管道7与渐扩段管道8连接处为喉口位置，且该喉口位置上设有开孔；所述循环气泵进气口位于渐扩后管道9上，循环气泵4进气口与静电除尘器入口之间距离与喉口位置直径之比为8~10∶1。循环气泵出气口与喉口位置上的开孔连接，双流体雾化喷嘴5设于渐缩前管道6内，双流体雾化喷嘴5喷入团聚剂方向为逆向烟气来流方向。静电除尘器10与渐扩后管道9末端连接。
其中，双流体雾化喷嘴5与渐缩段管道7入口之间距离和喉口位置直径之比为1~2∶1。渐缩渐扩管道部分，渐缩前管道6直径与喉口位置直径、渐扩后管道9直径之比为2.5∶1∶2，渐缩前管道6长度与喉口位置直径之比为4~6∶1，渐缩段管道7长度与喉口位置直径之比为3~5∶1，渐扩段管道8长度与喉口位置直径之比为1.5~3∶1，渐扩后管道9长度与喉口位置直径之比为6~8∶1。
一种基于上述装置的适用于高硫煤的协同脱除细颗粒物和三氧化硫的方法，高硫煤燃烧产生的高温烟气在烟道中进入渐缩渐扩管道部分，首先经过化学团聚系统，控制渐缩前管道内的双流体雾化喷嘴向烟道中喷入化学团聚剂，团聚剂雾滴在烟道中蒸发，团聚剂中的高分子链与烟气中pm2.5发生吸附絮凝，促使pm2.5团聚长大，同时使烟气温度降低；后续经过渐缩段管道与渐扩段管道之间的喉口位置时，渐缩渐扩管道产生射流效应，使烟气温度在喉口位置进一步降低至酸露点以下，促使so3凝结于飞灰上并由静电除尘器脱除；循环气泵抽取渐扩后管道内的部分烟气喷射进入渐缩渐扩管道喉口位置，使烟道内形成湍流流场，促使pm2.5颗粒物之间相互碰撞团聚，同时延长烟气停留时间，促进so3在飞灰上的凝结，最后固化于飞灰上的so3和团聚长大的pm2.5被静电除尘器脱除。
其中，团聚剂为润湿剂与高分子聚合物的混合水溶液，其中润湿剂质量百分含量为0.01%~0.03%，高分子聚合物质量百分含量为0.05%~0.10%；团聚剂溶液温度为25~50℃，向烟气中的添加量为0.5~2.5g/m3。
循环气泵4抽取气量为烟气总气量的10%~20%，循环气泵4出口气速为20~30m/s。
实施例2
含尘烟气由燃煤锅炉产生，烟气量为300nm3/h，烟道内烟气流速为12m/s。锅炉运行稳定后，在烟气中添加一定量飞灰及so3，模拟高硫煤燃烧产生的烟气，保证测试所需pm2.5及so3的浓度。在未利用本发明装置及方法前，烟气直接进入静电除尘器，采用电称低压冲击器elpi在线测试pm2.5浓度及粒径分布，经测试，静电除尘器进口处pm2.5粒径分布呈典型的双峰分布，第一个峰值出现在约0.1um处，数量浓度为6.7´106/cm3，另一峰值出现在约1um处，数量浓度为2.1´106/cm3，pm2.5质量浓度为220mg/m3，数量浓度为1.3´107/cm3；静电除尘器出口处pm2.5质量浓度为28mg/m3，数量浓度为5.9´106/cm3；采用高温冷凝法对静电除尘器后so3浓度进行测试，其质量浓度为80mg/m3。
之后按照本发明所述对电除尘器前部分烟道进行改造，使烟气进入渐缩渐扩管道部分，依次经过化学团聚系统和循环气泵射流产生的湍流流场，最终进入静电除尘器。其中，双流体雾化喷嘴逆向烟气来流方向喷入团聚剂，团聚剂中润湿剂为十二烷基硫酸钠，质量百分含量为0.01%，高分子聚合物为黄原胶，质量百分含量为0.05%，团聚剂溶液温度为25℃，向烟气中的添加量为1.5g/m3；循环气泵抽取气量为40nm3/h，循环气泵出口气速为25m/s，循环气泵进口与烟道连接位置位于静电除尘器前0.8m处；喉口位置直径为0.1m，双流体雾化喷嘴与渐缩段管道入口之间距离和喉口位置直径之比为2∶1，渐缩前管道直径与喉口位置直径、渐扩后管道直径之比为2.5∶1∶2，渐缩前管道长度与喉口位置直径之比为6∶1，渐缩段管道长度与喉口位置直径之比为5∶1，渐扩段管道长度与喉口位置直径之比为3∶1，渐扩后管道长度与喉口位置直径之比为8∶1。同样采用电称低压冲击器elpi在线测试pm2.5浓度及粒径分布，经测试，静电除尘器进口处pm2.5粒径峰值出现在约2.3um处，数量浓度为7.2´106/cm3；静电除尘器出口处pm2.5质量浓度为9mg/m3，数量浓度为1.6´106/cm3；采用高温冷凝法对静电除尘器后so3浓度进行测试，其质量浓度为8mg/m3。将利用本发明方法及装置前后的测试结果进行对比可知，本发明可使静电除尘器出口pm2.5质量浓度降低约67.9%，数量浓度降低约72.9%，且颗粒物粒径峰值显著增大，pm2.5长大明显，同时，可使静电除尘器后烟气中so3浓度显著降低，对so3脱除效率达到了90%，说明本发明可有效协同脱除高硫煤燃烧烟气中的pm2.5与so3。