板帶材
[拼音]：guolu
[英文]：boiler
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械裝置。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所，鍋爐包括鍋和爐兩大部分。鍋爐中產生的熱水或蒸汽可直接為工業生產和人民生活提供所需要的熱能，也可通過蒸汽動力裝置轉換為機械能，或再通過發電機將機械能轉換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用於生活，工業生產中也有少量應用。產生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，常簡稱為鍋爐，多用於火電站、船舶、機車和工礦企業。
蒸汽鍋爐有時又叫蒸汽發生器，是蒸汽動力裝置的重要組成部分。電站鍋爐、汽輪機和發電機是火力發電站的主機，因此電站鍋爐是生產電能的重要裝置。工業鍋爐是在各種工業企業中提供生產和供暖所需的蒸汽的必不可少的裝置。工業鍋爐數量甚多，需要消耗大量燃料。利用生產過程中高溫廢氣作為熱源的餘熱鍋爐對節能有重要作用。船用鍋爐裝在各種船舶上，所產生的蒸汽用於驅動蒸汽動力機械。機車鍋爐作為蒸汽機車的主要裝置尚有一定的應用。
鍋爐承受高溫高壓，安全問題十分重要。即使是小型鍋爐，一旦發生爆炸，後果也十分嚴重。因此，對鍋爐的材料選用、設計計算、製造和檢驗等都制訂有嚴格的法規。
簡史
鍋爐的發展分鍋和爐兩個方面。
鍋的發展
18世紀上半葉，英國煤礦使用的蒸汽機，包括J.瓦特的初期蒸汽機在內，所用的蒸汽壓力等於大氣壓力。18世紀後半葉改用高於大氣壓力的蒸汽。19世紀，常用的蒸汽壓力提高到 0.8兆帕左右。與此相適應，最早的蒸汽鍋爐是一個盛水的大直徑圓筒形立式鍋殼，後來改用臥式鍋殼（圖1a），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，煙氣從火筒後面出來，通過磚砌的煙道排向煙囪並對鍋殼的外部加熱，稱為火筒鍋爐。開始只裝一隻火筒，稱為單火筒鍋爐或康尼許鍋爐(圖1b)；後來加到兩個火筒，稱為雙火筒鍋爐或蘭開夏鍋爐（圖1c）。1830年左右，在掌握了優質鋼管的生產和脹管技術之後出現了火管鍋爐（圖1d）。一些火管裝在鍋殼中，構成鍋爐的主要受熱面，火（煙氣）在管內流過。在鍋殼的存水線以下裝上儘量多的火管，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。圖1e為火筒火管鍋爐，煙氣流出火筒後再流過火管，稱為蘇格蘭船用鍋爐。其形狀和尺寸可與輪船機艙配合較好，鍋爐本身也較輕，所以一直在船舶上使用。圖1f的機車鍋爐在只有火管的鍋殼前方裝上一個包有水夾套的火箱，火箱下部裝爐排燒火，佈置緊湊，蒸汽機車均用這種鍋爐。圖1g為小型立式火管鍋爐。火筒鍋爐和火管鍋爐合稱鍋殼鍋爐。火筒鍋爐已趨淘汰，而火筒鍋爐則仍在應用。
19世紀中葉，出現了水管鍋爐。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，有利於提高鍋爐蒸發量和蒸汽壓力。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，其發展見圖2。直水管鍋爐壓力和容量都受到限制。
20世紀初期，汽輪機開始發展，它要求配以容量和蒸汽引數較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著製造工藝和水處理技術的發展，出現了彎水管式鍋爐（圖3）。開始是採用多鍋筒式。隨著水冷壁、過熱器和省煤器的應用和鍋筒內部汽水分離元件的改進，鍋筒數目逐漸減少，既節約了金屬，又有利於提高鍋爐的壓力、溫度、容量和效率。到30年代，已廣泛應用2～4兆帕、385～400℃的具有水冷壁的彎水管式鍋爐配 6～12兆瓦的火電機組。第二次世界大戰以後，鍋爐工業發展很快。40年代開始採用10兆帕、510℃左右的配50兆瓦發電機組的鍋爐;50年代開始採用14兆帕左右、540～570℃的配100～200兆瓦發電機組的鍋爐；60年代開始採用配300～600兆瓦發電機組的亞臨界壓力(17～18.5兆帕)鍋爐；70年代最大的自然迴圈鍋爐單臺容量已達850兆瓦。
以前的火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐都屬於自然迴圈鍋爐(圖4)， 水汽在上升、下降管路中因受熱情況不同造成密度差而產生自然流動。在發展自然迴圈鍋爐的同時，從30年代開始應用直流鍋爐。40年代開始應用輔助迴圈鍋爐。
輔助迴圈鍋爐又稱強制迴圈鍋爐(圖5)， 它是在自然迴圈鍋爐的基礎上發展起來的。在下降管系統內加裝迴圈泵，以加強蒸發受熱面的水迴圈。直流鍋爐（圖6）中沒有鍋筒，給水由給水泵送入省煤器，經水冷壁和過熱器等蒸發受熱面變成過熱蒸汽送往汽輪機，各部分流動阻力全由給水泵來克服。第二次世界大戰以後，這兩種型式的鍋爐得到較快發展，因為當時發電機組要求高溫高壓和大容量。發展這兩種鍋爐的目的是：縮小或不用鍋筒，可以採用小直徑管子作受熱面，可以比較自由地佈置受熱面。隨著自動控制和水處理技術的進步，它們漸趨成熟。70年代最大的單臺輔助迴圈鍋爐是17兆帕壓力配1000兆瓦發電機組。在超臨界壓力時，直流鍋爐是唯一可以採用的一種鍋爐，70年代最大的單臺容量是27兆帕壓力配1300兆瓦發電機組。後來又發展了由輔助迴圈鍋爐和直流鍋爐複合而成的複合迴圈鍋爐。
爐的發展
在鍋爐的發展過程中，燃料種類對爐膛和燃燒裝置有很大的影響。因此，不但要求發展各種爐型來適應不同燃料的燃燒特點，而且還要提高燃燒效率以節約能源。此外，爐膛和燃燒裝置的技術改進還要求儘量減少鍋爐排煙中的汙染物（硫氧化物和氮氧化物）。
早年的鍋殼鍋爐採用固定爐排，多燃用優質煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管鍋爐出現後開始採用機械化爐排，其中鏈條爐排得到了廣泛的應用。爐排下送風從不分段的“統倉風”發展成分段送風。早期爐膛低矮，燃燒效率低。後來人們認識到爐膛容積和結構在燃燒中的作用，將爐膛造得較高，並採用爐栱和二次風，從而提高了燃燒效率。鏈條爐排能適應大多數煤種，但不能燒強粘結煙煤。下飼爐排也出現得很早，只適宜於燒優質煙煤。40年代出現了拋煤機。拋煤機可以配在固定火床上，也可以配在鏈條爐排上而成為拋煤機鏈條爐排。發電機組功率超過6兆瓦時，以上這些層燃爐的爐排尺寸太大，結構複雜，不易佈置，所以20年代開始使用室燃爐，室燃爐燃燒煤粉和油。煤由磨煤機磨成煤粉後用燃燒器噴入爐膛燃燒，發電機組的容量遂不再受燃燒裝置的限制。自第二次世界大戰初起，電站鍋爐幾乎全部採用室燃爐。
早年製造的煤粉爐採用了Ｕ形火焰。燃燒器噴出的煤粉氣流在爐膛中先下降，再轉彎上升。後來又出現了前牆佈置的旋流式燃燒器，火焰在爐膛中形成 L形火炬。隨著鍋爐容量增大，旋流式燃燒器的數目也開始增加，可以佈置在兩側牆，也可以佈置在前後牆。1930年左右出現了佈置在爐膛四角且大多成切圓燃燒方式的直流燃燒器。60年代某些國家曾在多角形爐膛中應用直流燃燒器的切圓燃燒方式，用以燃燒褐煤。第二次世界大戰後，石油價廉，許多國家廣泛採用燃油鍋爐。燃油鍋爐的自動化程度容易提高。70年代石油提價後，許多國家又轉向利用煤炭資源。這時電站鍋爐的容量也越來越大，要求燃燒裝置不僅能燃燒完全，著火穩定，執行可靠，低負荷效能好，還必須減少排煙中的汙染物質。40～60年代，為了強化燃燒和減少飛灰，一度採用液態排渣煤粉爐和旋風爐，但由於採用這種燃燒方式生成的氮氧化物太多，從70年代起已較少採用。
在燃煤（特別是燃褐煤）的電站鍋爐中採用分級燃燒或低溫燃燒技術，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抑制爐溫，不但可抑制氮氧化物生成，還能減少結渣。沸騰燃燒方式屬於一種低溫燃燒，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。
引數
鍋爐引數是表示鍋爐效能的主要指標，包括鍋爐容量、蒸汽壓力、蒸汽溫度、給水溫度等。
鍋爐容量
可用額定蒸發量或最大連續蒸發量來表示。額定蒸發量是在規定的出口壓力、溫度和效率下，單位時間內連續生產的蒸汽量。最大連續蒸發量是在規定的出口壓力、溫度下，單位時間內能最大連續生產的蒸汽量。蒸發量的單位習慣上以噸／時表示，電站鍋爐的容量也可用與之配套的汽輪發電機的電功率(兆瓦)來表示。
蒸汽引數
蒸汽引數包括鍋爐的蒸汽壓力和溫度，通常是指過熱器、再熱器出口處的過熱蒸汽壓力和溫度，如沒有過熱器和再熱器，即指鍋爐出口處的飽和蒸汽壓力和溫度。鍋爐壓力單位用兆帕(MPa)表示，也有用工程大氣壓(at)表示的，1兆帕等於10.2工程大氣壓。
給水溫度
指省煤器的進水溫度，無省煤器時即指鍋筒進水溫度。
分類
鍋爐可按照不同的方法進行分類。鍋爐按用途可分為工業鍋爐、電站鍋爐、船用鍋爐和機車鍋爐等；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(見表)。
中國電站鍋爐的現行系列為:中壓3.9兆帕；高壓10兆帕；超高壓14兆帕；亞臨界壓力17兆帕。中國工業鍋爐的現行系列為：0.5兆帕、0.8兆帕、1.3兆帕、2.5兆帕。
鍋爐按水和煙氣的流動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；按迴圈方式可分為自然迴圈鍋爐、輔助迴圈鍋爐（即強制迴圈鍋爐）、直流鍋爐和複合迴圈鍋爐。複合迴圈鍋爐是由輔助迴圈鍋爐和直流鍋爐複合而成，其中包括低迴圈倍率鍋爐（見電站鍋爐）。按燃燒方式鍋爐分為室燃爐、層燃爐和沸騰爐等。
工作過程
圖4和圖7為 120噸／時自然迴圈燃煤電站鍋爐的簡圖和燃燒系統示意圖。首先由磨煤機將煤磨製成粉。煤粉由空氣攜帶通過裝在爐牆上的燃燒器送入爐膛中燃燒。在火焰中心處的氣體溫度達到1500～1600℃。鍋爐的蒸發受熱面裝在爐膛的內壁上，組成水冷壁，吸收爐膛中高溫火焰和煙氣的輻射熱量，使爐膛出口處煙氣溫度降低到1000～1150℃。後牆水冷壁的上部分（在水平煙道進口）組成排列較稀的數列凝渣管，以防止結渣。為防止鍋爐受熱面上積灰或結渣，還使用吹灰器。
過熱器位於水平煙道中，它的作用是把從鍋筒出來的飽和蒸汽加熱成具有一定溫度的過熱蒸汽，目的是提高電站的經濟性。煙氣通過過熱器後溫度降低到 500～600℃，然後進入尾部煙道。尾部煙道中受熱面之一為省煤器。它由很多平行的蛇形管所組成，其作用是使給水在進入鍋筒之前預先加熱，並降低排煙溫度。另一尾部受熱面是空氣預熱器。它的作用是使空氣在進入爐膛以前加熱到一定溫度，以改善燃燒和進一步降低排煙溫度，提高鍋爐效率。
在水汽系統方面，給水在加熱器中加熱到一定溫度，經給水管道進入省煤器，進一步加熱以後送入鍋筒，與鍋水混合後沿下降管下行至水冷壁進口集箱。水在水冷壁管內吸收爐膛輻射熱形成汽水混合物經上升管到達鍋筒中，由汽水分離裝置使水、汽分離。分離出來的飽和蒸汽由鍋筒上部流往過熱器，繼續吸熱成為450℃的過熱蒸汽，然後送往汽輪機。
在燃燒和煙風系統方面，送風機將空氣送入空氣預熱器加熱到一定溫度。在磨煤機中被磨成一定細度的煤粉，由來自空氣預熱器的一部分熱空氣攜帶經燃燒器噴入爐膛。燃燒器噴出的煤粉與空氣混合物在爐膛中與其餘的熱空氣混合燃燒，放出大量熱量。燃燒後的熱煙氣順序流經爐膛、凝渣管束、過熱器、省煤器和空氣預熱器後，再經過除塵裝置，除去其中的飛灰，最後由引風機送往煙囪排向大氣。
基本結構
鍋爐整體的結構包括鍋爐本體和輔助裝置兩大部分。
鍋爐本體
鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁、過熱器、省煤器、空氣預熱器、構架和爐牆等主要部件構成生產蒸汽的核心部分，稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個最主要的部件是爐膛和鍋筒。
（1）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燃燒、適於燃燒劣質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並強烈火燒的圓筒形爐膛稱為旋風爐。
爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料在爐膛內燃燒形成火焰和高溫煙氣，所以爐膛四周的爐牆由耐高溫材料和保溫材料構成。在爐牆的內表面上常敷設水冷壁管，它既保護爐牆不致燒壞，又吸收火焰和高溫煙氣的大量輻射熱。
爐膛的結構、形狀、容積和高度都要保證燃料充分燃燒，並使爐膛出口的煙氣溫度降低到熔渣開始凝結的溫度以下。
當爐內的溫度超過灰熔點時，灰便呈熔融狀態。熔融的灰渣顆粒在觸及爐內水冷壁管或其他構件時會粘在上面。粘結的灰粒逐漸增多，遂形成渣塊，稱為結渣。結渣會降低鍋爐受熱面的傳熱效果。嚴重時會堵塞煙氣流動的通道，影響鍋爐的安全和經濟執行。
一般用爐膛容積熱負荷和爐膛截面熱負荷或爐排熱負荷表示其燃燒強烈程度。爐膛容積熱負荷是單位爐膛容積中每單位時間內釋放的熱量。在鍋爐技術中常用爐膛容積熱負荷來衡量爐膛大小是否恰當。容積熱負荷過大，則表示爐膛容積過小，燃料在爐內的停留時間過短，不能保證燃料完全燃燒，使燃燒效率下降；同時這還表示爐牆面積過小，難以敷設足夠的水冷壁管，結果爐內和爐膛出口處煙氣溫度過高，受熱面容易發生結渣。室燃爐的爐膛截面熱負荷是單位時間內單位爐膛橫截面上燃料燃燒所釋放的熱量。在爐膛容積確定以後，爐膛截面熱負荷過大會使區域性區域的壁面溫度過高而引起結渣。層燃爐的爐排熱負荷是單位時間內燃料燃燒所釋放的熱量與爐排面積的比值。爐排熱負荷過高會使飛灰大大增加。
爐膛設計需要充分考慮使用燃料的特性。每臺鍋爐應儘量燃用原設計的燃料。燃用特性差別較大的燃料時，鍋爐執行的經濟性和可靠性都可能降低。
（2）鍋筒：它是自然迴圈和多次強制迴圈鍋爐中接受省煤器來的給水、聯接迴圈迴路，並向過熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒筒體由優質厚鋼板製成，是鍋爐中最重的部件之一。
鍋筒的主要功能是儲水，進行汽水分離，在執行中排除鍋水中的鹽水和泥渣，以避免含有高濃度鹽分和雜質的鍋水隨蒸汽進入過熱器和汽輪機中。這些鹽分和雜質如在過熱器管和汽輪機通道上發生結垢、積鹽和腐蝕，會影響裝置的經濟安全執行。鍋爐出口的蒸汽一般都有一定的質量標準。鍋筒內部裝置包括汽水分離和蒸汽清洗裝置、給水分配管、排汙和加藥裝置等。其中汽水分離裝置的作用是將從水冷壁來的飽和蒸汽與水分離開來，並儘量減少蒸汽中攜帶的細小水滴。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採用多種型式的旋風分離器進行粗分離外，還用百頁窗、鋼絲網或均汽板等進行進一步分離。隨著水處理技術的提高，蒸汽分離裝置趨向於簡化和定型化。排汙裝置（包括連續排汙和定期排汙）能在鍋爐執行中排出一部分含有較高鹽分和泥渣的鍋水。鍋筒上還裝有水位表、安全閥等監測和保護設施。
輔助裝置
除鍋爐本體外，在電站鍋爐中還有許多配套的輔助裝置：
（1）煤粉製備系統，包括磨煤機、排粉機、粗粉分離器和煤粉管道等；
（2）送、引風系統，包括送風機、引風機和煙風道等；
（3）給水系統，包括給水泵、閥門和管道等；
（4）水處理系統（見鍋爐水處理）；
（5）灰渣清除系統，包括出渣機、除塵器等；
（6）自動控制和監測系統（見鍋爐自動控制、鍋爐汽溫調節）。
熱平衡
計算鍋爐熱效率（簡稱鍋爐效率）的方法。鍋爐熱效率是指送入鍋爐的燃料熱量中得到有效利用的百分數。近代電站鍋爐的效率可達90％以上；工業鍋爐的效率可達75％以上。
送入鍋爐的燃料熱量，除了有效利用的部分外，都以各種形式損失掉了，計有：排煙帶走的熱損失；排煙中未燃盡的一氧化碳、氫和甲烷等造成的氣體不完全燃燒熱損失；飛灰、爐渣和爐排漏煤等所含未燃盡碳造成的固體不完全燃燒熱損失和散熱損失等。
為了考核效能和改進設計，鍋爐常要經過熱平衡試驗。直接從有效利用能量來計算鍋爐熱效率的方法叫正平衡，從各種熱損失來反算效率的方法叫反平衡。考慮鍋爐房的實際效益時，不僅要看鍋爐熱效率，還要計及鍋爐輔機所消耗的能量。
單位質量或單位容積的燃料完全燃燒時按化學反應方程式計算出的空氣需求量稱為理論空氣量。為了使燃料在爐膛內有更多的機會與氧氣接觸而燃燒，實際送入爐內的空氣量總要大於理論空氣量。實際送入爐內的空氣量與理論空氣量之比值稱為過量空氣係數。實際的爐膛出口過量空氣係數主要取決於燃料性質和燃燒方式，一般在 1.05～1.5的範圍內。雖然多送入空氣可以減少不完全燃燒熱損失，但排煙熱損失會增大，還會加劇硫氧化物腐蝕和氮氧化物生成。因此應設法改進燃燒技術，爭取以儘量小的過量空氣係數使爐膛內燃燒完全。如燃油鍋爐的過量空氣係數已有可能小於1.03。這種採用低過量空氣係數的燃燒技術稱為低氧燃燒。
迴圈方式
鍋爐迴圈方式是指鍋爐蒸發系統內水汽的流動方式，可分為自然迴圈、輔助迴圈、直流和複合迴圈。
煙氣淨化和灰渣處理
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汙染大氣的物質，未經淨化時其排放指標可能達到環境保護規定指標的幾倍到數十倍。控制這些物質排放的措施有燃燒前處理、改進燃燒技術、除塵、脫硫和脫硝等。藉助高煙囪只能降低煙囪附近地區大氣中汙染物的濃度。
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。對粗顆粒一般採用重力沉降和慣性力的分離，在較高容量下常採用離心力分離除塵。靜電除塵器和布袋過濾器具有較高的除塵效率。溼式和文氏-水膜除塵器中水滴水膜能粘附飛灰，除塵效率很高，還能吸收氣態汙染物。
煙氣脫硫有吸收法和催化氧化法。幹法吸收用鹼性氧化鋁、 半焦炭、活性炭等；溼法吸收用氨、 碳酸鈉、石灰漿等。用五氧化二釩等觸媒在一定溫度下可使大部分二氧化硫氧化為三氧化硫，從而有助於吸收脫硫。由於煙氣脫硫裝置及執行費用昂貴，大部分企業傾向使用低硫燃料以降低硫氧化物的排放量。
煙氣中氮氧化物主要是一氧化氮。煙氣脫硝有催化分解法、選擇性催化還原法，也有采用高溫活性炭吸收脫硝的。
燃煤鍋爐在執行中必然要排出大量爐渣和由除塵器收集的飛灰，一般用水力或機械的方法清除送至堆渣場。
20世紀50年代以來，人們努力發展灰渣綜合利用，化害為利。如用灰渣製造水泥、磚和混凝土骨料等建築材料。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。
發展趨勢
鍋爐發展的趨勢主要是：
（1）進一步提高鍋爐和電站熱效率；
（2）降低鍋爐和電站的單位功率的裝置造價；
（3）提高鍋爐機組的執行靈活性和自動化水平；
（4）發展更多鍋爐品種以適應不同的燃料；
（5）提高鍋爐機組及其輔助裝置的執行可靠性；
（6）減少對環境的汙染。(見彩圖)
參考書目
陳學俊、陳聽寬編：《鍋爐原理》上、下冊，機械工業出版社，北京，1981。
上海鍋爐廠研究所等編：《火力發電裝置》，機械工業出版社，北京，1981。