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以煤为主的能源结构在我国相当长一段时期内将长期存在,煤粉锅炉产生的大量氮氧化物是当前亟待解决的环境污染问题。本文针对我国目前煤粉锅炉的主流炉型和氮氧化物排放浓度现状,结合国家和地方日趋严格的排放标准以及发展趋势,分析研究系列化低NOx燃烧技术,以满足不同阶段相应的排放标准,为我国分阶段实施氮氧化物减排提供解决方案。本文以数值模拟、实验研究及化学动力学分析方法为研究手段,对整体空气分级、燃料再燃及高级再燃这一系列低NOx燃烧技术进行全面深入的研究,揭示脱除NOx的基本机理、提出对现有煤粉锅炉实施低NOx燃烧技术改造的设计方法和原则、总结分析先进低NOx燃烧技术的影响因素并对还原NOx所需的反应机理模型进行了探讨。本文根据NOx生成机理分析了低NOx煤粉燃烧器的各种影响因素及优化原则,并以具有代表性的煤粉锅炉为例,对整体空气分级低NOx燃烧技术中的关键因素进行深入分析。针对国家和地方新的NOx排放标准,得出整体空气分级低NOx燃烧技术是有效而低成本的改造现有电站煤粉锅炉的先进技术方案,并采用数值模拟进行改造设计和优化运行。面对更严格的NOx排放标准,可在整体空气分级基础上,采用燃料再燃低NOx燃烧技术进一步降低NOx排放。本文对以天然气和石油气为再燃燃料的燃料再燃低NOx燃烧技术进行了研究,研究结果表明:对于天然气再燃,HCCO、CH2及CH3自由基是还原NO的主要活性物质,反应温度及OH、H、O基团是生成这些活性物质的关键因素;在相同的条件下石油气再燃还原NO的效果明显优于天然气,主要原因是石油气再燃还原NO过程中大量HCCO自由基及H、OH活性基团参与反应。在燃料再燃的基础上,采用高级再燃低NOx燃烧技术可实现与SCR同等级的大幅度降低NOx排放的效果。反应时间、反应温度、再燃区过量空气系数及喷入氨剂量与当地NO化学当量比NSR等是高级再燃还原NO的主要影响因素;为模拟高级再燃条件下NO沿反应器长度的分布规律,尝试采用GRI-SNCR反应机理模型,得到实验验证,并用此反应机理模型对高级再燃进行深入的机理分析;从反应物的生成率分析可以看出,在还原性气氛下,NH2是还原NO的主要活性基团,在氧化性气氛下,NH2大部分氧化为HNO,最终生成NO,所以在高级再燃中NH2自由基与NO的反应是强烈依赖于气氛的竞争反应,既可以将NO还原为N2,也可以自身氧化为NO。