在我国,以煤为主的能源结构,决定了火电在我国电力生产中的主要地位。氮氧化物(NOx)是燃煤电厂主要排放的污染物之一。现阶段,由于国家对燃煤污染物NOx排放的严格控制,火电厂必须采取有效措施来降低NOx的排放。炉内低NOx燃烧技术中,空气分级燃烧以其较为简单的结构布置、较高的脱硝效果,成为电站锅炉低NOx燃烧采取的基本方式,同时也是炉内进行低NOx改造的优先选择。本文在详细分析煤粉燃烧过程中NOx生成特性的基础上,采用数值模拟与现场试验相结合的方法,根据燃煤锅炉空气分级燃烧系统的结构特点,在保证锅炉安全、经济和稳定运行的前提下,进行了深化炉内低NOx燃烧方式以及优化炉内燃烧方面的研究。主要研究内容如下：首先,针对某300MW墙式燃煤锅炉出现NOx排放量较高的问题,通过分析并结合该机组炉型及结构特点,提出去除部分卫燃带及部分三次风上移来降低炉内NOx生成的改造方案；在数值模拟研究中,着重考虑CO及焦炭对NOx的综合还原效果,提出了改进型NOx模型,将数值模拟结果与现场实测数据进行对比,炉内温度分布、炉膛出口NOx浓度值等主要参数均吻合较好,表明了数值模拟方法的可靠性。在此基础上,对提出的低NOx改造方案进行了数值模拟优化,在对炉内燃烧稳定性、煤粉燃烧效率以及锅炉运行安全性影响较小,并尽量降低改造工作量的前提下,确定改造方案并进行了工程实施。改造后的现场调试试验结果表明,锅炉NOx排放量降低了28.5%,同时炉内结渣较轻。其次,对某600MW超临界机组四角切圆燃煤锅炉进行了数值模拟研究,结果表明,具有LNCFS深度空气分级低NOx燃烧系统的燃煤锅炉,在炉内具有较低的NOx浓度水平；燃尽区内,SOFA风的集中送入,使NOx的浓度出现反弹,并且影响了炉膛出口最终的NOx排放。为了进一步提高炉内的低NOx燃烧效果,结合该机组炉型及结构特点,提出将SOFA风喷口沿炉高两级布置的方案,并通过数值模拟研究了喷口布置方式对NOx生成的影响规律。数值模拟结果表明,将SOFA风喷口沿炉高两级布置,并且分阶段送入,在两级燃尽风之间建立低氧浓度区域,不仅可以减少煤粉在燃尽过程中的NOx生成,同时还可促进焦炭对已生成NOx的异相还原作用,从而提高燃尽区内的低NOx燃烧效果。兼顾低NOx效果以及煤粉燃烧效率,下级SOFA风占SOFA风总量的60%时,炉膛出口NOx浓度较现有燃烧技术能降低23.8%,且炉膛出口飞灰可燃物升幅较小。最后,针对某300MW四角切圆燃煤锅炉,由于燃用非设计煤种,在运行中出现的燃烧不稳、再热气温偏低、灰渣含碳量过高以及热偏差较大等问题进行分析,并提出了初步的改造方案。通过数值模拟,对提出的改造方案进行研究,建立结渣模型并嵌入FLUENT软件平台中,与炉内燃烧过程进行耦合计算,优化选取卫燃带的敷设面积以及布置方式,来提高燃烧稳定性以及再热汽温；优化确定下两层一、二次风集中布置,来减少灰渣含碳量；确定采用增大OFA反切角度来减小热偏差。数值模拟结果表明,敷设卫燃带后,炉内NOx生成略有增加；增大OFA反切角度,对炉内NOx生成影响较小。改造后的测试试验结果表明,炉内燃烧稳定性大幅提高,且再热汽温可基本达到设计参数；灰渣含碳量可降至较低水平；增大OFA反切角度,可实现对热偏差的有效控制,且对锅炉NOx排放影响较小。