本发明公开了一种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其喷嘴体的喷口段呈双面城垛导流结构，它包括沿圆周方向交错布置的内缩式导流片和外扩式导流片，内缩式导流片以喷嘴体的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐减小，外扩式导流片以喷嘴体的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐增大，相邻内缩式导流片和外扩式导流片之间通过径向过渡板相连。其对煤粉气流具有良好导流作用，减弱了煤粉颗粒对喷嘴的直接冲击，使煤粉气流从喷嘴内部喷出时与外部热烟气强烈混合换热，保证了煤粉的强着火稳燃性能，且能有效降低煤粉气流阻力，对喷嘴磨损小，使用寿命长。特别适于前后墙对冲布置旋流煤粉燃烧器的燃煤锅炉。
1.一种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，包括喷嘴体(1)，其特征在于：所述喷嘴体(1)的喷口段呈双面城垛导流结构，它包括沿圆周方向交错布置的内缩式导流片(2)和外扩式导流片(3)，所述内缩式导流片(2)以喷嘴体(1)的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐减小，所述外扩式导流片(3)以喷嘴体(1)的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐增大，相邻内缩式导流片(2)和外扩式导流片(3)之间通过三角形结构的径向过渡板(4)相连；并且，所述喷嘴体(1)的喷口段内腔直径D、所述内缩式导流片(2)或外扩式导流片(3)的轴向长度L、以及所述内缩式导流片(2)内壁至外扩式导流片(3)内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：H＝0.05～0.25D，L＝0.6～1.5D。
2.根据权利要求1所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：所述内缩式导流片(2)的端部外侧设置有内缩端稳燃挡片(5)，所述内缩端稳燃挡片(5)垂直于喷嘴体(1)的喷口段轴心线布置。
3.根据权利要求2所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：所述内缩端稳燃挡片(5)的径向高度h1、所述内缩式导流片(2)内壁至外扩式导流片(3)内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h1＝0.5～1.0H。
4.根据权利要求1所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：所述外扩式导流片(3)的端部外侧设置有外扩端稳燃挡片(6)，所述外扩端稳燃挡片(6)垂直于喷嘴体(1)的喷口段轴心线布置。
5.根据权利要求4所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：所述外扩端稳燃挡片(6)的径向高度h2、所述内缩式导流片(2)内壁至外扩式导流片(3)内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h2＝0.5～2.0H。
6.根据权利要求2所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：所述外扩式导流片(3)的端部外侧设置有外扩端稳燃挡片(6)，所述外扩端稳燃挡片(6)垂直于喷嘴体(1)的喷口段轴心线布置。
7.根据权利要求6所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：所述内缩端稳燃挡片(5)的径向高度h1、所述外扩端稳燃挡片(6)的径向高度h2、所述内缩式导流片(2)内壁至外扩式导流片(3)内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h1＝0.5～1.0H，h2＝0.5～2.0H。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：
所述内缩式导流片(2)、外扩式导流片(3)和径向过渡板(4)为整体铸造、锻压、或者模压成型结构。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：
所述外扩式导流片(3)外壁上设置有安装定位支架(7)。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：
所述内缩式导流片(2)的数量为4～12片，所述外扩式导流片(3)的数量与内缩式导流片(2)一一对应。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其特征在于：
所述喷嘴体(1)的喷口段内腔直径D、所述内缩式导流片(2)或外扩式导流片(3)的轴向长度L、以及所述内缩式导流片(2)内壁至外扩式导流片(3)内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：H＝0.10～0.20D，L＝0.9～1.3D。
旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴
技术领域
[0001] 本发明涉及燃煤锅炉中的煤粉燃烧器，具体地指一种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴。
背景技术
[0002] 在大型600MW及以上的燃煤锅炉中，大部分采用了旋流煤粉燃烧器前后墙对冲布置结构，但旋流煤粉燃烧器在过去只适用于燃用高挥发分的烟煤及次烟煤。随着国内电厂锅炉燃煤煤质的变化，越来越多的低挥发分煤逐步成为锅炉主要的燃烧煤种。针对这种状况，开发适于燃用低挥发分贫煤、无烟煤的旋流煤粉燃烧器具有非常广阔的市场及技术前景。特别为满足大型锅炉低负荷运行要求、在煤质条件较差的情况下，具有强稳燃能力的旋流煤粉燃烧器已成为前后墙对冲燃烧锅炉迫切需更换的设备。
[0003] 目前，常用的旋流煤粉燃烧器喷嘴结构中，为提高其稳燃能力一般都是在一次风煤粉喷嘴内置稳燃齿或稳燃环，利用煤粉气流中的稳燃环或稳燃齿对一次风煤粉气流在出口处产生大的扰流，强化换热，达到稳燃的目的。由于稳燃齿或稳燃环都安装在煤粉燃烧器喷嘴的内侧，虽然增强了对煤粉气流边界的湍流强度，但对于与外部热烟气的强化换热则有不足，因此稳燃效果较差。同时，研究发现在煤粉气流的着火过程中，如果外部的二次风射流过早地进入煤粉射流，会导致煤粉浓度降低，煤粉着火所需热量增加，极大地损害煤粉的着火稳燃性能。并且，在使用过程中发现，处在煤粉气流中的稳燃齿或稳燃环受到煤粉颗粒的直接碰撞冲击，稳燃齿磨损非常严重，一般运行1～2年左右的时间就会发生磨穿现象而降低喷嘴喷射出煤粉气流的着火稳燃性能，给锅炉的安全运行要求带来极大的隐患。
发明内容
[0004] 本发明的目的就是要克服现有旋流煤粉燃烧器喷嘴存在的缺陷，提供一种结构简单、使用寿命长、燃烧性能稳定的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴。
[0005] 为实现上述目的，本发明所设计的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，包括喷嘴体，其特殊之处在于：所述喷嘴体的喷口段呈双面城垛导流结构，它包括沿圆周方向交错布置的内缩式导流片和外扩式导流片，所述内缩式导流片以喷嘴体的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐减小，所述外扩式导流片以喷嘴体的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐增大，相邻内缩式导流片和外扩式导流片之间通过径向过渡板相连。
[0006] 优选地，所述内缩式导流片的端部外侧设置有内缩端稳燃挡片，所述内缩端稳燃挡片垂直于喷嘴体的喷口段轴心线布置。
[0007] 进一步地，所述内缩端稳燃挡片的径向高度h1、所述内缩式导流片内壁至外扩式导流片内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h1=0.5～1.0H。这样，可以防止二次风过早的从内缩式导流片处进入炉内与煤粉混合，起到稳燃效果。
[0008] 优选地，所述外扩式导流片的端部外侧设置有外扩端稳燃挡片，所述外扩端稳燃挡片垂直于喷嘴体的喷口段轴心线布置。
[0009] 进一步地，所述外扩端稳燃挡片的径向高度h2、所述内缩式导流片内壁至外扩式导流片内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h2=0.5～2.0H。这样，可以防止二次风过早的从外扩式导流片处进入炉内与煤粉混合，起到稳燃效果。
[0010] 优选地，所述内缩式导流片的数量为4～12片，最好为6～8片；所述外扩式导流片的数量与内缩式导流片一一对应。这样，不仅结构简单、便于加工，而且有利于均匀导流。
[0011] 进一步地，所述内缩式导流片、外扩式导流片和径向过渡板为整体铸造、锻压、或者模压成型结构。这样，可以简化加工工艺、提高喷嘴整体强度，延长使用寿命。
[0012] 更进一步地，所述外扩式导流片外壁上设置有安装定位支架。这样，可以方便地实现旋流煤粉燃烧器装配及现场施工安装中一次风喷嘴与外部二次风喷嘴的同心/同轴技术要求。
[0013] 再进一步地，所述喷嘴体的喷口段内腔直径D、所述内缩式导流片或外扩式导流片的轴向长度L、以及所述内缩式导流片内壁至外扩式导流片内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：H=0.05～0.25D，L=0.6～1.5D。这样，可以优化喷嘴体各部分尺寸比例，实现最佳的稳燃效果。
[0014] 本发明的优点在于：所设计喷嘴的双面城垛导流结构对煤粉气流具有良好的导流作用，减弱了煤粉颗粒对喷嘴的直接碰撞冲击，使煤粉气流从喷嘴内部喷出时与外部热烟气强烈混合换热，保证了煤粉的强着火稳燃性能，能有效降低煤粉气流的阻力，且对喷嘴磨损小，使用寿命长。作为优选方案，布置在喷嘴出口外侧的稳燃片能有效阻止二次风射流过早地进入到煤粉射流中，有效避免了煤粉着火初期的煤粉浓度稀释，极大地强化了煤粉的着火稳燃性能。
[0015] 试验表明：该内缩外扩式喷嘴具有极强的稳燃能力，除适用烟煤、次烟煤燃烧以外，更适用于低挥发分煤粉的燃烧，如无烟煤、贫煤、贫瘦煤等，对于挥发分较高、燃烧稳定要求更高的褐煤也非常适用，特别适用于前后墙对冲布置旋流煤粉燃烧器的燃煤锅炉。
[0016] 同时，本发明在对常规旋流煤粉燃烧器设计不进行较大改动的前提下，通过更换现有旋流煤粉燃烧器的喷嘴，即可方便实现旋流煤粉燃烧器的设计升级与装置改造，具有良好的应用前景。
附图说明
[0017] 图1为本发明旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴的安装位置状态示意图。
[0018] 图2为一种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴的立体结构示意图。
[0019] 图3为图2的主视结构示意图。
[0020] 图4为另一种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴立体结构示意图。
[0021] 图5为图4的主视结构示意图。
[0022] 图6为第三种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴立体结构示意图。
[0023] 图7为图6的主视结构示意图。
[0024] 图8为第四种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴立体结构示意图。
[0025] 图9为图8的主视结构示意图。
[0026] 图中各部件标号如下：喷嘴体1；内缩式导流片2；外扩式导流片3；径向过渡板4；内缩端稳燃挡片5；外扩端稳燃挡片6；安装定位支架7；风箱8；二次风导风筒9；贴壁风导风筒10；炉墙水冷壁11；一次风煤粉气流A；内二次风气流B；外二次风气流C。
具体实施方式
[0027] 为了更好地解释本发明，以下结合附图和具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
[0028] 实施例1：
[0029] 如图2～3所示的一种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，具有喷嘴体1，喷嘴体1的喷口段呈双面城垛导流结构，它包括沿圆周方向交错布置的内缩式导流片2和外扩式导流片3，内缩式导流片2以喷嘴体1的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐减小，外扩式导流片3以喷嘴体1的喷口段内腔直径D为基准从根部到端部的截面半径逐渐增大，相邻内缩式导流片2和外扩式导流片3之间通过三角形结构的径向过渡板4连为一体。
[0030] 优化设计时，上述喷嘴体1的喷口段内腔直径D、内缩式导流片2或外扩式导流片3的轴向长度L、以及内缩式导流片2内壁至外扩式导流片3内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：H=0.05～0.25D，L=0.6～1.5D，最佳的参数比例是H=0.10～0.20D，L=0.9～1.3D。本实施例中H=0.10D，L=0.95D。
[0031] 上述内缩式导流片2的数量一般设计为4～12片，外扩式导流片3的数量与内缩式导流片2一一对应。本实施例中，内缩式导流片2和外扩式导流片3的数量都是8片，交错均匀布置。加工制造时，内缩式导流片2、外扩式导流片3和径向过渡板4选用耐热钢，可以采用整体铸造、锻压、或者模压成型。为快速定位和安装的需要，在外扩式导流片3外壁上设置有安装定位支架7，其采用圆钢、扁钢、型钢支架或者为它们的组合支架，用以防止本发明的喷嘴与二次风导风筒连接定位时出现偏心。
[0032] 如图1所示，本发明的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴安装在燃煤锅炉外侧的风箱8内，其喷嘴体1对准炉墙水冷壁11上的喷口，喷嘴体1外周依次布置有二次风导风筒9和贴壁风导风筒10。工作时，煤粉与一次风组成一次风煤粉气流A由喷嘴体1喷入炉内；风箱8中的二次风分成两股：一股作为内二次风气流B，经二次风导风筒9吹入炉内，与一次风煤粉气流A混合，使煤粉充分燃烧，起到在煤粉燃烧前期的助燃作用；另一股作为外二次风气流C，经贴壁风导风筒10进入炉膛，形成旋流，起到在煤粉燃烧后期的助燃作用，使煤粉完全燃烧。由于喷嘴体1呈内缩外扩式的双面城垛导流结构，煤粉气流从喷嘴体1内部喷出时可与外部热烟气强烈混合换热，从而保证了煤粉的强着火稳燃性能。
[0033] 实施例2：
[0034] 如图4～5所示的另一种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，它的总体结构与实施例1基本相同，只是内缩式导流片2的端部外侧焊接有内缩端稳燃挡片5，内缩端稳燃挡片5垂直于喷嘴体1的喷口段轴心线布置。优化设计时，上述内缩端稳燃挡片5的径向高度h1与内缩式导流片2内壁至外扩式导流片3内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h1=0.5～
1.0H。本实施例中，h1=0.8H。该内缩端稳燃挡片5能有效地阻止内二次风气流B过早地进入到一次风煤粉气流A中，从而避免煤粉着火初期的煤粉浓度稀释，进一步强化了煤粉的着火稳燃性能。
[0035] 实施例3：
[0036] 如图6～7所示的第三种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，它的总体结构与实施例1基本相同，只是外扩式导流片3的端部外侧焊接有外扩端稳燃挡片6，外扩端稳燃挡片6垂直于喷嘴体1的喷口段轴心线布置。优化设计时，上述外扩端稳燃挡片6的径向高度h2与内缩式导流片2内壁至外扩式导流片3内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h2=0.5～
2.0H。本实施例中，h2=0.9H。该外扩端稳燃挡片6能有效地阻止内二次风气流B过早地进入到一次风煤粉气流A中，从而避免煤粉着火初期的煤粉浓度稀释，进一步强化了煤粉的着火稳燃性能。
[0037] 实施例4：
[0038] 如图8～9所示的第四种旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，它是实施例1～3中所有特征的有机组合。其总体结构与实施例1基本相同，其内缩式导流片2的端部外侧设置有内缩端稳燃挡片5，内缩端稳燃挡片5垂直于喷嘴体1的喷口段轴心线布置，其外扩式导流片3的端部外侧设置有外扩端稳燃挡片6，外扩端稳燃挡片6垂直于喷嘴体1的喷口段轴心线布置。上述内缩端稳燃挡片5的径向高度h1、外扩端稳燃挡片6的径向高度h2、内缩式导流片2内壁至外扩式导流片3内壁的径向高度H之间满足如下数学关系：h1=0.5～1.0H，h2=0.5～2.0H。本实施例中，h1=0.8H，h2=0.9H。
[0039] 本发明通过上述设计，对煤粉气流形成了良好的导流作用，有效减弱了煤粉颗粒对喷嘴的直接碰撞冲击，降低了煤粉气流的阻力，减少了喷嘴磨损，延长了喷嘴使用寿命。煤粉气流从喷嘴内部喷出时与外部热烟气强烈混合换热，保证了煤粉的着火稳燃性能。同时，其能有效阻止二次风射流过早进入到煤粉射流中去，避免煤粉着火初期的煤粉浓度稀释，极大地强化煤粉的着火稳燃性能。
[0040] 对上述实施例4进行现场锅炉改装试验，运行结果表明：在两台660MW机组煤粉燃烧锅炉中，采用前后墙对冲方式布置本发明的旋流煤粉燃烧器内缩外扩式喷嘴，其既能够很好地解决过去在低负荷运行期间燃烧稳燃性能差而导致的锅炉灭火等问题，同时又能够提高锅炉的燃烧效率，并且适于燃用贫煤、无烟煤、次烟煤、烟煤中的一种或多种混煤。
