鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能把水加熱成為熱水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備。鍋的原義是指在火上加熱的盛水容器，爐是指燃燒燃料的場(chǎng)所，鍋爐包括鍋和爐兩大部分。鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供所需要的熱能，也可通過(guò)蒸汽動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或再通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，常簡(jiǎn)稱為鍋爐，多用于火電站、船舶、機(jī)車和工礦企業(yè)。
一、鍋爐的發(fā)展
鍋爐的發(fā)展分鍋和爐兩個(gè)方面。
18世紀(jì)上半葉，英國(guó)煤礦使用的蒸汽機(jī)，包括瓦特的初期蒸汽機(jī)在內(nèi)，所用的蒸汽壓力等于大氣壓力。18世紀(jì)后半葉改用高于大氣壓力的蒸汽。19世紀(jì)，常用的蒸汽壓力提高到0.8兆帕左右。與此相適應(yīng)，最早的蒸汽鍋爐是一個(gè)盛水的大直徑圓筒形立式鍋殼，后來(lái)改用臥式鍋殼，在鍋殼下方磚砌爐體中燒火。
隨著鍋爐越做越大，為了增加受熱面積，在鍋殼中加裝火筒，在火筒前端燒火，煙氣從火筒后面出來(lái)，通過(guò)磚砌的煙道排向煙囪并對(duì)鍋殼的外部加熱，稱為火筒鍋爐。開始只裝一只火筒，稱為單火筒鍋爐或康尼許鍋爐，后來(lái)加到兩個(gè)火筒，稱為雙火筒鍋爐或蘭開夏鍋爐.
1830年左右，在掌握了優(yōu)質(zhì)鋼管的生產(chǎn)和脹管技術(shù)之后出現(xiàn)了火管鍋爐。一些火管裝在鍋殼中，構(gòu)成鍋爐的主要受熱面，火(煙氣)在管內(nèi)流過(guò)。在鍋殼的存水線以下裝上盡量多的火管，稱為臥式外燃回火管鍋爐。它的金屬耗量較低，但需要很大的砌體。
19世紀(jì)中葉，出現(xiàn)了水管鍋爐。鍋爐受熱面是鍋殼外的水管，取代了鍋殼本身和鍋殼內(nèi)的火筒、火管。鍋爐的受熱面積和蒸汽壓力的增加不再受到鍋殼直徑的限制，有利于提高鍋爐蒸發(fā)量和蒸汽壓力。這種鍋爐中的圓筒形鍋殼遂改名為鍋筒，或稱為汽包。初期的水管鍋爐只用直水管，直水管鍋爐的壓力和容量都受到限制。
二十世紀(jì)初期，汽輪機(jī)開始發(fā)展，它要求配以容量和蒸汽參數(shù)較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著制造工藝和水處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了彎水管式鍋爐。開始是采用多鍋筒式。隨著水冷壁、過(guò)熱器和省煤器的應(yīng)用，以及鍋筒內(nèi)部汽、水分離元件的改進(jìn)，鍋筒數(shù)目逐漸減少，既節(jié)約了金屬，又有利于提高鍋爐的壓力、溫度、容量和效率。
以前的火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐都屬于自然循環(huán)鍋爐，水汽在上升、下降管路中因受熱情況不同，造成密度差而產(chǎn)生自然流動(dòng)。在發(fā)展自然循環(huán)鍋爐的同時(shí)，從30年**始應(yīng)用直流鍋爐，40年**始應(yīng)用輔助循環(huán)鍋爐。
輔助循環(huán)鍋爐又稱強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，它是在自然循環(huán)鍋爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。在下降管系統(tǒng)內(nèi)加裝循環(huán)泵，以加強(qiáng)蒸發(fā)受熱面的水循環(huán)。直流鍋爐中沒(méi)有鍋筒，給水由給水泵送入省煤器，經(jīng)水冷壁和過(guò)熱器等蒸發(fā)受熱面，變成過(guò)熱蒸汽送往汽輪機(jī)，各部分流動(dòng)阻力全由給水泵來(lái)克服。
第二次世界大戰(zhàn)以后，這兩種型式的鍋爐得到較快發(fā)展，因?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)組要求高溫高壓和大容量。發(fā)展這兩種鍋爐的目的是縮小或不用鍋筒，可以采用小直徑管子作受熱面，可以比較自由地布置受熱面。隨著自動(dòng)控制和水處理技術(shù)的進(jìn)步，它們漸趨成熟。在超臨界壓力時(shí)，直流鍋爐是唯一可以采用的一種鍋爐，70年代最大的單臺(tái)容量是27兆帕壓力配1300兆瓦發(fā)電機(jī)組。后來(lái)又發(fā)展了由輔助循環(huán)鍋爐和直流鍋爐復(fù)合而成的復(fù)合循環(huán)鍋爐。
在鍋爐的發(fā)展過(guò)程中，燃料種類對(duì)爐膛和燃燒設(shè)備有很大的影響。因此，不但要求發(fā)展各種爐型來(lái)適應(yīng)不同燃料的燃燒特點(diǎn)，而且還要提高燃燒效率以節(jié)約能源。此外，爐膛和燃燒設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)還要求盡量減少鍋爐排煙中的污染物(硫氧化物和氮氧化物)
早年的鍋殼鍋爐采用固定爐排，多燃用優(yōu)質(zhì)煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管鍋爐出現(xiàn)后開始采用機(jī)械化爐排，其中鏈條爐排得到了廣泛的應(yīng)用。爐排下送風(fēng)從不分段的“統(tǒng)倉(cāng)風(fēng)”發(fā)展成分段送風(fēng)。
早期爐膛低矮，燃燒效率低。后來(lái)人們認(rèn)識(shí)到爐膛容積和結(jié)構(gòu)在燃燒中的作用，將爐膛造高，并采用爐拱和二次風(fēng)，從而提高了燃燒效率。
發(fā)電機(jī)組功率超過(guò)6兆瓦時(shí)，以上這些層燃爐的爐排尺寸太大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易布置，所以20年**始使用室燃爐，室燃爐燃燒煤粉和油。煤由磨煤機(jī)磨成煤粉后用燃燒器噴入爐膛燃燒，發(fā)電機(jī)組的容量遂不再受燃燒設(shè)備的限制。自第二次世界大戰(zhàn)初起，電站鍋爐幾乎全部采用室燃爐。
早年制造的煤粉爐采用了Ｕ形火焰。燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛中先下降，再轉(zhuǎn)彎上升。后來(lái)又出現(xiàn)了前墻布置的旋流式燃燒器，火焰在爐膛中形成Ｌ形火炬。隨著鍋爐容量增大，旋流式燃燒器的數(shù)目也開始增加，可以布置在兩側(cè)墻，也可以布置在前后墻。1930年左右出現(xiàn)了布置在爐膛四角且大多成切圓燃燒方式的直流燃燒器。
第二次世界大戰(zhàn)后，石油價(jià)廉，許多國(guó)家開始廣泛采用燃油鍋爐。燃油鍋爐的自動(dòng)化程度容易提高。70年代石油提價(jià)后，許多國(guó)家又重新轉(zhuǎn)向利用煤炭資源。這時(shí)電站鍋爐的容量也越來(lái)越大，要求燃燒設(shè)備不僅能燃燒完全，著火穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，低負(fù)荷性能好，還必須減少排煙中的污染物質(zhì)。
在燃煤(特別是燃褐煤)的電站鍋爐中采用分級(jí)燃燒或低溫燃燒技術(shù)，即延遲煤粉與空氣的混合或在空氣中摻煙氣以減慢燃燒，或把燃燒器分散開來(lái)抑制爐溫，不但可抑制氮氧化物生成，還能減少結(jié)渣。沸騰燃燒方式屬于一種低溫燃燒，除可燃用灰分十分高的固體燃料外，還可在沸騰床中摻入石灰石用以脫硫。
二、鍋爐的工作
鍋爐參數(shù)是表示鍋爐性能的主要指標(biāo)，包括鍋爐容量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度等.鍋爐容量可用額定蒸發(fā)量或最大連續(xù)蒸發(fā)量來(lái)表示。額定蒸發(fā)量是在規(guī)定的出口壓力、溫度和效率下，單位時(shí)間內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。最大連續(xù)蒸發(fā)量是在規(guī)定的出口壓力、溫度下，單位時(shí)間內(nèi)能最大連續(xù)生產(chǎn)的蒸汽量。
蒸汽參數(shù)包括鍋爐的蒸汽壓力和溫度，通常是指過(guò)熱器、再熱器出口處的過(guò)熱蒸汽壓力和溫度如沒(méi)有過(guò)熱器和再熱器，即指鍋爐出口處的飽和蒸汽壓力和溫度。給水溫度是指省煤器的進(jìn)水溫度，無(wú)省煤器時(shí)即指鍋筒進(jìn)水溫度。
鍋爐可按照不同的方法進(jìn)行分類。鍋爐按用途可分為工業(yè)鍋爐、電站鍋爐、船用鍋爐和機(jī)車鍋爐等；按鍋爐出口壓力可分為低壓、中壓、高壓、超高壓、亞臨界壓力、超臨界壓力等鍋爐；鍋爐按水和煙氣的流動(dòng)路徑可分為火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐，其中火筒鍋爐和火管鍋爐又合稱為鍋殼鍋爐；按循環(huán)方式可分為自然循環(huán)鍋爐、輔助循環(huán)鍋爐(即強(qiáng)制循環(huán)鍋爐)、直流鍋爐和復(fù)合循環(huán)鍋爐；按燃燒方式，鍋爐分為室燃爐、層燃爐和沸騰爐等。
在水汽系統(tǒng)方面，給水在加熱器中加熱到一定溫度后，經(jīng)給水管道進(jìn)入省煤器，進(jìn)一步加熱以后送入鍋筒，與鍋水混合后沿下降管下行至水冷壁進(jìn)口集箱。水在水冷壁管內(nèi)吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經(jīng)上升管到達(dá)鍋筒中，由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來(lái)的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過(guò)熱器，繼續(xù)吸熱成為一定溫度的過(guò)熱蒸汽（目前大多300MW、600MW機(jī)組主汽溫度約為540℃左右），然后送往汽輪機(jī)。
在燃燒和煙風(fēng)系統(tǒng)方面，送風(fēng)機(jī)將空氣送入空氣預(yù)熱器加熱到一定溫度。在磨煤機(jī)中被磨成一定細(xì)度的煤粉，由來(lái)自空氣預(yù)熱器的一部分熱空氣攜帶經(jīng)燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其余的熱空氣混合燃燒，放出大量熱量。燃燒后的熱煙氣順序流經(jīng)爐膛、凝渣管束、過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器后，再經(jīng)過(guò)除塵裝置，除去其中的飛灰，最后由引風(fēng)機(jī)送往煙囪排向大氣。
三、鍋爐的結(jié)構(gòu)
鍋爐整體的結(jié)構(gòu)包括鍋爐本體和輔助設(shè)備兩大部分。鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、構(gòu)架和爐墻等主要部件構(gòu)成生產(chǎn)蒸汽的核心部分，稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個(gè)最主要的部件是爐膛和鍋筒。
爐膛又稱燃燒室，是供燃料燃燒的空間。將固體燃料放在爐排上，進(jìn)行火床燃燒的爐膛稱為層燃爐，又稱火床爐；將液體、氣體或磨成粉狀的固體燃料，噴入火室燃燒的爐膛稱為室燃爐，又稱火室爐；空氣將煤粒托起使其呈沸騰狀態(tài)燃燒，并適于燃燒劣質(zhì)燃料的爐膛稱為沸騰爐，又稱流化床爐；利用空氣流使煤粒高速旋轉(zhuǎn)，并強(qiáng)烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風(fēng)爐。
爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料在爐膛內(nèi)燃燒形成火焰和高溫?zé)煔猓誀t膛四周的爐墻由耐高溫材料和保溫材料構(gòu)成。在爐墻的內(nèi)表面上常敷設(shè)水冷壁管，它既保護(hù)爐墻不致燒壞，又吸收火焰和高溫?zé)煔獾拇罅枯椛錈帷?/p>
爐膛設(shè)計(jì)需要充分考慮使用燃料的特性。每臺(tái)鍋爐應(yīng)盡量燃用原設(shè)計(jì)的燃料。燃用特性差別較大的燃料時(shí)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性都可能降低。
鍋筒是自然循環(huán)和多次強(qiáng)制循環(huán)鍋爐中，接受省煤器來(lái)的給水、聯(lián)接循環(huán)回路，并向過(guò)熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒簡(jiǎn)體由優(yōu)質(zhì)厚鋼板制成，是鍋爐中最重的部件之一。
鍋筒的主要功能是儲(chǔ)水，進(jìn)行汽水分離，在運(yùn)行中排除鍋水中的鹽水和泥渣，避免含有高濃度鹽分和雜質(zhì)的鍋水隨蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器和汽輪機(jī)中。
鍋筒內(nèi)部裝置包括汽水分離和蒸汽清洗裝置、給水分配管、排污和加藥設(shè)備等。其中汽水分離裝置的作用是將從水冷壁來(lái)的飽和蒸汽與水分離開來(lái)，并盡量減少蒸汽中攜帶的細(xì)小水滴。中、低壓鍋爐常用擋板和縫隙擋板作為粗分離元件；中壓以上的鍋爐除廣泛采用多種型式的旋風(fēng)分離器進(jìn)行粗分離外，還用百頁(yè)窗、鋼絲網(wǎng)或均汽板等進(jìn)行進(jìn)一步分離。鍋筒上還裝有水位表、安全閥等監(jiān)測(cè)和保護(hù)設(shè)施。
為了考核性能和改進(jìn)設(shè)計(jì)，鍋爐常要經(jīng)過(guò)熱平衡試驗(yàn)。直接從有效利用能量來(lái)計(jì)算鍋爐熱效率的方法叫正平衡，從各種熱損失來(lái)反算效率的方法叫反平衡。考慮鍋爐房的實(shí)際效益時(shí)，不僅要看鍋爐熱效率，還要計(jì)及鍋爐輔機(jī)所消耗的能量。
單位質(zhì)量或單位容積的燃料完全燃燒時(shí)，按化學(xué)反應(yīng)計(jì)算出的空氣需求量稱為理論空氣量。為了使燃料在爐膛內(nèi)有更多的機(jī)會(huì)與氧氣接觸而燃燒，實(shí)際送入爐內(nèi)的空氣量總要大于理論空氣量。雖然多送入空氣可以減少不完全燃燒熱損失，但排煙熱損失會(huì)增大，還會(huì)加劇硫氧化物腐蝕和氮氧化物生成。因此應(yīng)設(shè)法改進(jìn)燃燒技術(shù)，爭(zhēng)取以盡量小的過(guò)量空氣系數(shù)使?fàn)t膛內(nèi)燃燒完全。
鍋爐煙氣中所含粉塵(包括飛灰和炭黑)、硫和氮的氧化物都是污染大氣的物質(zhì)，未經(jīng)凈化時(shí)其排放指標(biāo)可達(dá)到環(huán)境保護(hù)規(guī)定指標(biāo)的幾倍到數(shù)十倍。控制這些物質(zhì)排放的措施有燃燒前處理、改進(jìn)燃燒技術(shù)、除塵、脫硫和脫硝等。借助高煙囪只能降低煙囪附近地區(qū)大氣中污染物的濃度。
煙氣除塵所使用的作用力有重力、離心力、慣性力附著力以及聲波、靜電等。對(duì)粗顆粒一般采用重力沉降和慣性力的分離，在較高容量下常采用離心力分離除塵靜電除塵器和布袋過(guò)濾器具有較高的除塵效率。濕式和文氏—水膜除塵器中水滴水膜能粘附飛灰，除塵效率很高還能吸收氣態(tài)污染物。
二十世紀(jì)50年代以來(lái)，人們努力發(fā)展灰渣綜合利用，化害為利。如用灰渣制造水泥、磚和混凝土骨料等建筑材料。70年代起又從粉煤灰中提取空心微珠，作為耐火保溫等材料。
鍋爐未來(lái)的發(fā)展將進(jìn)一步提高鍋爐和電站熱效率；降低鍋爐和電站的單位功率的設(shè)備造價(jià)；提高鍋爐機(jī)組的運(yùn)行靈活性和自動(dòng)化水平；發(fā)展更多鍋爐品種以適應(yīng)不同的燃料；提高鍋爐機(jī)組及其輔助設(shè)備的運(yùn)行可靠性；減少對(duì)環(huán)境的污染。
四、鍋爐的分類：
可以從不同角度出發(fā)對(duì)鍋爐進(jìn)行分類：
1、按煙氣在鍋爐流動(dòng)的狀況分：水管鍋爐、鍋殼鍋爐（火管鍋爐）、水火管組合式鍋爐
2、按鍋筒放置的方式分：立式鍋爐、臥式鍋爐
3、按用途分：生活鍋爐、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐、車船用鍋爐
4、按介質(zhì)分：蒸汽鍋爐、熱水鍋爐、汽水兩用鍋爐、有機(jī)熱載體鍋爐
5、按安裝方式分：快裝鍋爐、組裝鍋爐、散裝鍋爐
6、按燃料分：燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t、余熱鍋爐、電加熱鍋爐、生物質(zhì)鍋爐
7、按水循環(huán)分：自然循環(huán)、強(qiáng)制循環(huán)、混合循環(huán)
8、按壓力分：常壓鍋爐、低壓鍋爐、中壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐
9、按鍋爐數(shù)量分：?jiǎn)五佂插仩t、雙鍋筒鍋爐
10、按燃燒定在鍋爐內(nèi)部或外部分：內(nèi)燃式鍋爐、外燃式鍋爐
11、按工質(zhì)在蒸發(fā)系統(tǒng)的流動(dòng)方式可分為自然循環(huán)鍋爐、強(qiáng)制循環(huán)鍋爐、直流鍋爐等。
12、按制造級(jí)別分類：**、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)、E級(jí)（按制造鍋爐的壓力分）
13、按出口蒸汽壓力分為：低壓鍋爐（P〈2.5MPa）、中壓鍋爐（22.5〈P〈4.0MPa）、高壓鍋爐（4.0〈P=10MPa）、超高壓鍋爐（10〈P=13.7MPa）、亞臨界鍋爐（13.7〈P=16.7MPa）、超臨界鍋爐（P=22MPa）。
