蒸汽发生器

蒸汽发生器（Steam   generator）俗称锅炉，是利用燃料或其他能源的热能将水加热成热水或蒸汽的机械设备。其工作原理是基于能量转换，即储存在煤炭等各种燃料中、木材中的化学能转化为蒸汽热能。它不仅为火力发电系统提供电能，还用于机械等领域、化工、 造纸和其他工农业领域也发挥着重要作用。

蒸汽发生器由一个炉子组成、水冷壁、过热器、省煤器可根据结构燃料循环方式燃烧方式排渣方式炉膛烟气和锅炉数量进行分类蒸汽发生器的现代发展主要集中在超临界技术上、能效优先、余热蒸汽发生器的设计、循环流化床锅炉技术、锅炉和空调的灵活性-超临界技术及其他领域的全球发展。

最早的蒸汽动力设备可以追溯到公元10年海伦在亚历山大港提出的蒸汽轮机。1700年，初级蒸汽发生器技术诞生，1867年，随着对流锅炉的发展，蒸汽发生器行业开始出现。同年乔治·巴斯科和史蒂文·威尔科克首次申请了他们的锅炉设计专利，为蒸汽发生器行业的发展奠定了基础。1884年，帕森斯建造了第一台蒸汽涡轮发电机，两年后通过冷凝涡轮提高了效率。1957年，Babcock  Wilcox设计并建造了美国第一台商用超临界蒸汽发生器，这标志着蒸汽动力技术的重要进展。在20世纪70年代，世界的单一容量 美国最大的自然循环锅炉达到850兆瓦。2018年，我国首个高温气冷堆核电站示范工程石岛湾2号蒸汽发生器成功完成壳程和管程气压试验，标志着世界 美国第一台高温气冷堆核电站蒸汽发生器。

锅炉的整体结构包括锅炉本体、辅助设备和安全装置。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁、过热器、省煤器、空气预热器、框架炉壁等主要部件构成了蒸汽生产的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中最重要的两个部件是炉膛和汽包。

本体结构

燃烧器：燃烧器主要由喷油嘴组成、调风器、点火器等组成。它的主要作用是将燃烧所需的燃料和空气送入炉膛，使燃料稳定着火并充分燃烧。由于辅助锅炉蒸发量小，炉膛接近一个圆形，蒸汽设备对蒸汽压力的稳定性要求不高，因此每台锅炉通常只配备一个燃烧器。

炉膛：炉膛又称燃烧室，是燃料燃烧的空间。固体燃料放在炉排上并在火床上燃烧的炉膛称为层燃炉，也称为火床炉；将液体、将气体或粉状固体燃料喷入燃烧室燃烧，称之为室式炉，也称室式炉；空气提升煤粒使其在沸腾状态下燃烧，适合燃烧劣质燃料的炉称为沸腾炉，也称为流化床炉；利用气流使煤粒高速旋转并强烈燃烧的圆筒形炉称为旋风炉。

炉子的横截面通常为正方形或矩形。燃料在炉内燃烧形成火焰和高温烟气，因此炉周围的炉墙由耐高温材料和隔热材料制成。水冷壁管往往敷设在炉壁的内表面，既保护了炉壁不被烧坏，又吸收了火焰和高温烟气的大量辐射热。

炉膛设计需要充分考虑所用燃料的特性。每个锅炉都应该尝试燃烧最初设计的燃料。当燃烧不同特性的燃料时，锅炉运行的经济性和可靠性可能会降低。

此外，根据不同类型的蒸汽发生器，炉子的设计可能会有所不同。例如，炉排燃烧蒸汽发生器的炉膛设计将不同于煤粉蒸汽发生器和循环流化床蒸汽发生器的炉膛设计，因为这些蒸汽发生器具有不同的热力和流动条件。

空气预热器：空气预热器可以通过降低排气温度来提高锅炉效率和节约燃料消耗。通过从烟气中提取热量来预热冷的环境空气，烟气的温度相应地降低。

水冷壁：水冷壁是锅炉的主要辐射受热面，其主要作用是吸收炉膛的辐射热来加热工质，并保护炉壁后面水冷壁管的稀释部分，称为排渣管，以防止过热器结焦。因为它能将水转化为蒸汽，所以通常称为蒸汽发生管。

锅筒：汽包是一种自然循环和多重强制循环的锅炉，它接收来自省煤器的水、连接到循环回路并将饱和蒸汽输送到过热器的圆柱形容器。锅筒本体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。

汽包的主要作用是储水，汽水分离，运行时除去锅炉水中的盐水和污泥，防止含盐和杂质浓度高的锅炉水随蒸汽进入过热器和汽轮机。汽包内部装置包括汽水分离和蒸汽清洗装置、给水分配管、污水处理和加药设备等。汽水分离装置的作用是将饱和蒸汽和水从水冷壁中分离出来，尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉通常使用挡板和狭缝挡板作为粗分离元件；除了广泛使用各种类型的旋风分离器进行粗分离外，中压以上的锅炉也使用百叶窗、钢丝网或蒸汽均衡板进一步分离。汽包还配有一个水位计、安全阀等监控和保护设施。

过热器：过热器是蒸汽锅炉系统的重要组成部分，其作用是将饱和蒸汽加热到额定过热蒸汽温度。并提高热电厂的整体效率。但在使用过热器时往往需要使用效果好的耐热钢，所以价格相对较贵另外，过热器按布置位置和传热方式可分为对流型半辐射型和辐射型。

省煤器：省煤器是一种换热器，其作用是利用经过主锅炉和过热器的烟气中的热能预热给水，从而提高锅炉的热效率。在省煤器中，通过使用烟道气预热给水，使得给水被加热而不将其转化为蒸汽。因此，省煤器通常位于过热器后面和供水回路中，其主要目的是减少燃料消耗。

构架：在整个锅炉中，框架用来支撑汽包、联箱、受热面、部分或全部炉墙平台、自动扶梯和其他部件的结构。它应该有足够的强度、刚度、伸缩性和性。现代炉架可分为两种类型支撑结构和悬挂结构。支撑锅炉框架的特点是锅炉本体的主要重量支撑在框架上，大多数是框架式的。悬挂式锅炉框架的特点是锅炉本体的主要重量悬挂在屋顶格栅上，其框架多为解析框架。

炉墙：锅炉壁是锅炉的外壳，它将锅炉的燃烧室和烟道与外界隔绝，可以防止外界冷空气的泄漏，也可以防止热量散失和灰渣的逸出，对保证锅炉机组的运行经济性维护环境卫生和保证运行人员的安全起着非常重要的作用。炉墙的结构一般可分为三层，面向火的一面称为耐热层，另外两层分别为隔热层和密封层。

辅助设备

锅炉的辅助设备是安装在锅炉本体外部的必要设备，即燃料供应系统、通风系统、给水系统、除渣除尘系统等设备，如球磨机、运煤设备、水泵、水处理装置、鼓风机、引风机、除渣机、除尘器和吹灰器等。

供应系统

燃料输送：燃料供应系统旨在向锅炉输送燃油，以便在适当的温度和压力下实现令人满意的燃烧。系统中的加热器配有在恒温下运行的蒸汽供应阀，它可以接收来自燃油加热器出口处恒温元件的冲击，以保持恒温。

燃烧控制：燃料供应系统还包括一个燃烧控制系统，其功能是控制燃料和空气的输入或火焰速度，从而使汽轮机入口处的过热蒸汽压力保持在所需值，以满足负荷需求。

水质处理：蒸汽锅炉的水处理系统主要负责去除水中溶解的矿物质、气体和颗粒。每种杂质的去除或处理对于确保锅炉的有效运行非常重要。但是对于锅炉来说，这些矿物质会造成损害，例如腐蚀金属和降低传热效率。

高纯度给水：为了维持高纯度的给水和补充水流量，最好的锅炉水处理系统主要包括压力过滤器、软化装置、反渗透装置和热脱气器。一般硬自来水作为蒸汽锅炉的补给水会导致锅炉热区石灰石沉积。

防腐处理：水处理过程的一部分是添加能够抑制腐蚀的化学物质。这种处理对提高锅炉效率和延长使用寿命非常重要。

供水系统：水处理后，经过处理的锅炉给水通过供水泵输送至锅炉。供水系统确保锅炉可持续运行、稳定获得必要的水源，以维持锅炉的正常运行和蒸汽的产生。

蒸汽发生器的安全装置是指锅炉受压元件上用于控制锅炉安全经济运行的一些阀门和仪表。主要有安全阀、压力表、水位表、温度仪表、保护装置、排水阀或排水装置、防爆门、锅炉自动控制装置和常用阀门等。

安全阀：锅炉安全阀是安装在锅炉顶部靠近司机的阀门防止锅炉内的压力超过规定的压力。当锅炉压力超过规定值时，安全阀将自动打开以释放锅炉中的蒸汽来降低压力当压力降至规定值时，安全阀将自动关闭，并停止释放蒸汽以降低压力。

压力表：压力表是显示锅炉汽水系统压力的仪表。

水位表：水位计是用来显示汽包或壳体内水位的仪表。它是根据通讯设备中液柱高度相等的原理安装的。水位计的水连接管和蒸汽连接管分别与锅筒的水空间和蒸汽空间相连，水位计与锅筒形成连通装置，因此水位计显示的水位就是锅筒内的水位。锅炉中常用的水位计有两种玻璃管式和玻璃板式。

蒸汽发生器的主要工作原理是利用燃料燃烧后释放的热能或工业生产中的余热传递给容器内的水，使水达到所需温度或在一定压力下产生蒸汽的一种热力设备。锅炉在“锅”与“炉”这两部分同时进行水进入锅炉后，锅炉的受热面会将吸收的热量传递给汽水系统中的水，使水在一定的温度和压力下被加热成热水或产生蒸汽，导出供应用。在燃烧设备部分，燃料燃烧不断释放热量，燃烧产生的高温烟气通过热量的扩散将热量传递给锅炉受热面，其温度逐渐降低，最终从烟囱排出。

蒸汽发生器可根据结构燃料循环方式燃烧方式排渣方式炉膛烟气和锅炉数量进行分类。

结构分类

火管锅炉：火管锅炉的特点是其内部燃烧产生的热量通过火管传递给给水。在这种结构中，水容纳在一个壳体中，热烟气通过具有多个管道的壳体将热量传递给给水。通常，火管锅炉的结构包括被多个管道穿过的水箱，来自火源的热烟气通过这些管道，并且水箱通常为圆柱形并且可以垂直或水平放置。燃料通常在锅炉底部燃烧，热烟气通过管道将热量传递给水，从而产生蒸汽。火管锅炉通常适用于低压和小容量的应用，并且具有紧凑的结构、高效的直管设计、较低成本、维护简单，操作简单。

水管锅炉：水管锅炉和火管锅炉的主要区别是水管锅炉的热烟气不通过管道，而是绕管道流动，而水则通过管道流动。这意味着水管锅炉是外燃锅炉，而火管锅炉是内燃锅炉。由于这种设计，水管锅炉可以承受更高的工作压力并产生更高的温度输出，这是一种安全可靠的设计。此外，水管锅炉通常容量更大，可以承受更高的压力和温度。此外，使用过热器可以提高水管锅炉的效率，这可以显著提高水管锅炉的效率和容量。

燃料分类

燃煤蒸汽发生器：燃煤蒸汽发生器是基于燃煤运行设备的形式，根据燃烧方式的不同可分为旋风炉、层燃炉、有沸腾炉和箱式炉四种。燃煤锅炉在运行中需要燃烧大量的煤，导致空气中有大量的 SO2、NOx 和灰尘。

蒸汽发生器

燃气蒸汽发生器：与燃煤锅炉相比，燃气蒸汽发生器具有一定的优势据资料分析，燃气锅炉的工作效率为95%天然气对大气的污染更少。同时，燃气蒸汽发生器配套设备简单，占地面积小，设备维护成本低。

电蒸汽发生器：电动蒸汽发生器以电为能源，并将其转化为热能 由蒸汽发生器转化，向外输出具有一定热能的蒸汽、带有高温水或有机热载体的锅炉设备。由于能源结构的调整、中国北方供暖方式的改革、随着改善大气环境的迫切性和蓄热技术的发展，电锅炉逐渐在我国北方兴起。

电磁感应蒸汽发生器：电磁感应蒸汽发生器采用了一种新的加热方式，其蒸汽发生装置主要包括电磁感应加热系统、稳压集水系统、集成控制系统、汽液分离系统、冷却循环回收系统，上述系统的组成，使其能顺利完成供水的导入、蒸汽发生、汽水分离等步骤。与使用煤相比，电加热蒸汽锅炉、燃油、以煤气为原料的蒸汽锅炉安全性提高，对环境无污染。然而，电加热蒸汽锅炉具有复杂的线路、元器件容易老化、加热不均匀、部件更换不便等缺点也限制了其推广应用。

电磁感应加热技术：电磁感应加热技术可以加速超高温蒸汽发生设备的发展电磁感应加热技术可产生500°C以上的高温蒸汽，温控精度为±5°C。当超高温蒸汽发生器的热转换效率超过95时%同时具有加热迅速加热均匀的特点，环保、使用寿命和安全性能具有独特的优势。

高温管二次加热技术：超高温蒸汽发生设备的核心部件之一是可实现二次加热的高温管。为了提高传热率，前蒸汽由具有两个管壁的夹层结构加热。为了延长蒸汽在夹层中的行程，增加加热时间并达到加热效果，在夹层中缠绕直径为3 mm的不锈钢丝，并以约120 mm的间距螺旋缠绕，可以使加热过程更加均匀。

节能技术：随着经济社会的发展和城市化进程的加快，人口与健康问题日益突出美国人对生活经验的要求在不断提高一方面，为了满足集中供暖的需求，大型供暖锅炉的需求迅速增加，另一方面，全球变暖和雾霾的加剧要求减少温室气体和烟雾的排放。目前大型供暖锅炉主要采用燃气供暖方案，实际使用中烟气温度较高、较大的能量损失不仅影响供暖的经济性，而且加剧了冬季的雾霾，难以满足清洁供暖的需求。目前大多数锅炉都在尾部设置了烟气余热回收系统，但由于回收技术的限制，烟气余热回收效率较低因此，可在锅炉上增加新的节能装置，即采用带隔墙的高效烟气冷凝余热回收装置和吸收式热泵联合回收大过滤的烟气余热，并在首站换热站提前预热二次网回水，减少供热过程中的能耗，从而实现锅炉余热的再利用，减少供热过程中的能耗和环境污染。更换节能装置可使排气温度降至25℃以下，综合节能率为11.3%，对实现高效、经济、环保供暖意义重大。

 水泥生产：蒸汽锅炉用于水泥厂或水泥混凝土产品加工行业例如，水泥厂需要使用高温蒸汽参与生产干燥和维护等，更广泛地用于建筑材料和钢筋混凝土中，需要快速成型和干燥工业术语是混凝土的蒸汽养护。此外，蒸汽锅炉还可以帮助回收和再利用余热，为水泥生产提供额外的能源，使水泥制造商能够产生多达20%至30%所需的电力。

暖通空调系统：暖通空调系统中蒸汽锅炉的主要功能是加热水、卫生、烹饪、垃圾能源利用和集中供热。例如，火管锅炉用于加热空气，然后将热空气输送到房屋或仓库的各个房间。

发电厂：电站锅炉是燃煤火力发电厂的三大主机之一，是实现“双碳”目标、作为火电碳减排的重要组成部分，它是我国最重要的能源消耗和碳排放设备。此外，蒸汽锅炉在电厂中的主要应用是使用高压蒸汽发电。这一过程被称为兰金循环，燃煤电厂和核反应堆都依赖蒸汽锅炉来最大限度地提高碳基燃料或核反应堆的能量输出。

食品工业：在食品工业中，蒸汽锅炉的应用包括食物的烹饪、包装、加热和卫生处理。蒸汽锅炉不仅可以保证食品的安全和卫生，还可以保证食品的质量和味道。