蒸汽锅炉的工作原理基于热力学基本原理，核心是将燃料的化学能转化为热能，进而把水加热生成蒸汽。以常见的燃油、燃气蒸汽锅炉为例：
- 燃料燃烧：燃料（如天然气、柴油等）与空气按一定比例混合后，进入炉膛。在炉膛内，通过点火装置点燃混合气体，发生剧烈的燃烧反应。此过程中，燃料的化学能迅速释放，产生高温火焰和大量的高温烟气，这些高温烟气成为后续热量传递的载体，是蒸汽产生的能量源头 。例如，天然气中的主要成分甲烷（\(CH_4\)）与空气中的氧气（\(O_2\)）发生反应：\(CH_4 + 2O_2 \stackrel{点燃}{=\!=\!=} CO_2 + 2H_2O\)，释放出大量热量。
- 热量传递：高温烟气在炉膛及后续烟道内流动，通过三种基本的热传递方式 —— 辐射、对流和传导，将热量传递给受热面。炉膛内，高温火焰和烟气以辐射方式向四周的水冷壁管传热，水冷壁管吸收热量后，管内的水温升高。在对流烟道中，高温烟气冲刷对流管束（如烟管），通过对流换热将热量传递给管束内的水。同时，热量也会通过管壁从高温侧传导至低温侧的水。
- 水的加热与蒸汽生成：水在锅炉的锅筒（或其他受热容器）及一系列受热面管道内流动。随着不断吸收热量，水温逐渐升高，当达到对应压力下的沸点时，水开始沸腾汽化，大量水分子获得足够能量挣脱液态束缚，转变为蒸汽状态。在这个过程中，水吸收的热量主要用于增加水分子的内能，使其从液态转变为气态，此阶段为饱和蒸汽的生成过程。若蒸汽继续在过热器等部件中吸收热量，温度将进一步升高，成为过热蒸汽，过热蒸汽具有更高的焓值，能为工业生产等提供更优质的热能。
- 蒸汽输出与循环：生成的蒸汽积聚在锅筒顶部的蒸汽空间内，当蒸汽压力达到设定值时，通过蒸汽管道输送至需要蒸汽的设备或系统，如用于工业生产中的加热、干燥、杀菌等工艺，或在集中供热系统中为建筑物供暖。而在蒸汽释放热量做功后，会冷凝成水，这些凝结水通过冷凝水回收系统，经过处理后可重新送回锅炉作为给水，参与下一轮的蒸汽生成循环，以提高水资源和能源的利用效率 。
蒸汽锅炉构造
蒸汽锅炉的构造较为复杂，不同类型的锅炉在具体结构上会有所差异，但总体上都由 “锅” 和 “炉” 两大部分以及一些辅助设备组成 。以下以常见的卧式内燃三回程燃气蒸汽锅炉为例介绍其构造：
- “锅” 的部分
- 锅筒：是锅炉的重要受压部件，呈圆筒形。它起到储存汽水混合物、进行汽水分离以及连接其他受热面管道的作用。锅筒内部设置有汽水分离器，用于将蒸发过程中产生的汽水混合物进行分离，保证输出的蒸汽具有较高的干度（即蒸汽中气态水的含量），减少蒸汽带水现象，避免对用汽设备造成损害。同时，锅筒上还安装有各种仪表接口和安全附件接口，如水位计接口用于实时监测锅筒内水位，压力表接口用于测量蒸汽压力，安全阀接口用于在压力异常升高时自动泄压，保障锅炉安全运行 。
- 水冷壁：通常由多根无缝钢管组成，布置在炉膛四周。其主要作用是吸收炉膛内高温火焰和烟气的辐射热，使管内的水受热蒸发。水冷壁管内的水在吸收热量后，部分水汽化形成汽水混合物，由于密度差，汽水混合物向上流动，而锅筒内的水则通过下降管（一般位于锅筒底部与水冷壁下联箱之间）补充到水冷壁下联箱，从而在锅筒、下降管、水冷壁及下联箱之间形成自然水循环，确保水冷壁管得到良好的冷却，防止因超温而损坏 。
- 对流管束（烟管）：在卧式内燃三回程锅炉中，烟管是重要的对流受热面。高温烟气在炉膛内燃烧后，先进入第一回程烟管（通常位于锅筒内部下方），然后折返进入第二回程烟管（一般在锅筒两侧），最后经过第三回程烟管排出锅炉。烟管内的高温烟气与管外的水进行对流换热，将热量传递给水，使水进一步升温、蒸发。为了增强传热效果，部分烟管会采用螺纹烟管，其特殊的螺纹结构能增加烟气在管内的扰动，强化对流换热，提高锅炉热效率 。
- “炉” 的部分
- 炉膛：是燃料燃烧的空间，由炉墙围成。炉墙一般采用耐高温、隔热性能良好的材料制成，如耐火砖、保温棉等，以减少热量散失，保证炉膛内高温环境。在炉膛内，燃烧器将燃料和空气喷入并混合点燃，形成高温火焰。炉膛的设计形状和尺寸需要根据锅炉的容量、燃料种类等因素进行优化，以确保燃料能够充分燃烧，提高燃烧效率，并使火焰充满度良好，均匀地向水冷壁等受热面辐射热量 。
- 燃烧器：是蒸汽锅炉的关键设备之一，负责将燃料与空气按合适比例混合并送入炉膛进行燃烧。燃烧器的类型多样，常见的有燃气燃烧器、燃油燃烧器等。以燃气燃烧器为例，它通过调节燃气和空气的进气量，实现不同的负荷调节，确保燃烧稳定、充分。先进的燃烧器还配备有自动控制系统，可根据锅炉的运行参数（如蒸汽压力、温度等）实时调整燃烧状态，提高燃烧效率，降低污染物排放 。
- 辅助设备
- 省煤器：一般安装在锅炉尾部烟道，利用锅炉尾部烟气的余热来加热锅炉给水。它通常由一系列钢管组成，给水在管内流动，烟气在管外冲刷，通过对流换热方式吸收烟气热量，提高给水温度。给水温度升高后进入锅筒，可减少锅筒内水加热至沸点所需的热量，从而降低燃料消耗，提高锅炉热效率。省煤器还能降低排烟温度，减少排烟热损失，减少对环境的热污染 。
- 空气预热器：同样安装在锅炉尾部烟道，其作用是利用烟气余热加热燃烧所需的空气。预热后的空气进入燃烧器与燃料混合燃烧，有助于燃料更好地着火和燃烧，提高燃烧效率。空气预热器一般有管式和回转式等类型，通过增大空气与烟气的接触面积和换热时间，实现高效的热量传递 。
- 给水泵及给水系统：给水泵负责将经过处理的合格水送入锅炉。给水系统包括给水泵、阀门、管道以及相关的仪表等。给水泵需要根据锅炉的蒸发量和水位情况，精确控制给水量，确保锅筒内水位稳定在正常范围内。同时，给水管道上的阀门用于调节水流方向和流量，而仪表则用于监测给水压力、温度等参数 。
- 排污装置：为了控制锅水的品质，防止锅水中杂质、盐分等浓度过高影响锅炉正常运行，锅炉设置了排污装置。排污装置一般分为连续排污和定期排污两种。连续排污是从锅筒内水表面附近连续排出一部分含盐浓度较高的锅水，以维持锅水含盐量在规定范围内；定期排污则主要用于排除锅筒底部沉积的泥渣、水垢等杂质，通常在锅炉低负荷时进行 。
- 安全阀、压力表、水位计等安全附件：安全阀是保障锅炉安全运行的重要装置，当锅炉内蒸汽压力超过允许值时，安全阀自动开启，排出蒸汽泄压，防止压力继续升高引发安全事故。压力表用于实时显示锅炉内蒸汽压力，操作人员可根据压力值调整锅炉运行参数。水位计则直观地显示锅筒内水位高低，操作人员通过观察水位计，控制给水量，防止出现缺水或满水事故，确保锅炉安全稳定运行 。
