鍋爐的發展分鍋和爐兩個方面。 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,最早的蒸汽鍋爐是壹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。開始只裝壹只火筒,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)。壹些火管裝在鍋殼中,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。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,所以壹直在船舶上使用。圖1f的機車鍋爐在只有火管的鍋殼前方裝上壹個包有水夾套的火箱,火箱下部裝爐排燒火,布置緊湊,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參數較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著制造工藝和水處理技術的發展,出現了彎水管式鍋爐(圖3)。開始是采用多鍋筒式。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年代開始采用10兆帕、510℃左右的配50兆瓦發電機組的鍋爐;50年代開始采用14兆帕左右、540~570℃的配100~200兆瓦發電機組的鍋爐;60年代開始采用配300~600兆瓦發電機組的亞臨界壓力(17~18.5兆帕)鍋爐;70年代最大的自然循環鍋爐單臺容量已達850兆瓦。
以前的火筒鍋爐、火管鍋爐和水管鍋爐都屬於自然循環鍋爐(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。在發展自然循環鍋爐的同時,從30年代開始應用直流鍋爐。40年代開始應用輔助循環鍋爐。
輔助循環鍋爐又稱強制循環鍋爐(圖5), 它是在自然循環鍋爐的基礎上發展起來的。在下降管系統內加裝循環泵,以加強蒸發受熱面的水循環。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循環鍋爐是17兆帕壓力配1000兆瓦發電機組。在超臨界壓力時,直流鍋爐是唯壹可以采用的壹種鍋爐,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循環鍋爐和直流鍋爐復合而成的復合循環鍋爐。 在鍋爐的發展過程中,燃料種類對爐膛和燃燒設備有很大的影響。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,爐膛和燃燒設備的技術改進還要求盡量減少鍋爐排煙中的汙染物(硫氧化物和氮氧化物)。
早年的鍋殼鍋爐采用固定爐排,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采用機械化爐排,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,並采用爐栱和二次風,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,結構復雜,不易布置,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設備的限制。自第二次世界大戰初起,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,再轉彎上升。後來又出現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,旋流式燃燒器的數目也開始增加,可以布置在兩側墻,也可以布置在前後墻。1930年左右出現了布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,許多國家廣泛采用燃油鍋爐。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,要求燃燒設備不僅能燃燒完全,著火穩定,運行可靠,低負荷性能好,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,壹度采用液態排渣煤粉爐和旋風爐,但由於采用這種燃燒方式生成的氮氧化物太多,從70年代起已較少采用。
在燃煤(特別是燃褐煤)的電站鍋爐中采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。沸騰燃燒方式屬於壹種低溫燃燒,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。
鍋爐發展的趨勢主要是:
①進壹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設備造價;
③提高鍋爐機組的運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設備的運行可靠性;
⑥減少對環境的汙染