循环流化床燃煤锅炉因其具有燃料适用性广、负荷调节范围宽、炉内温度较低且分布均匀、燃料粒径分布宽、易于实现低氮燃烧等优势,作为我国发电和供热领域的主流技术之一已得到广泛工业应用。循环流化床锅炉燃煤过程会产生氮氧化物（NOx）,排放到大气后不仅会导致光化学烟雾、臭氧空洞、酸雨等大气污染和危害,同时作为大气污染物PM2.5中硝酸盐产生的主要前驱体,对雾霾的形成起到促进作用。近年来,为应对循环流化床锅炉的大型化发展以及为消纳可再生电力提出的“深度调峰”的需求,循环流化床在超低氮排放技术方面面临更高的技术挑战。循环流化床锅炉在实际运行过程中,为了确保烟气排放的NOx实时满足国家颁布的燃煤锅炉超低排放标准,通常在采用炉内低氮燃烧技术的基础上,叠加使用烟气脱硝技术,如选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。这两类脱硝技术均以氨或尿素（分解后生成氨）为还原剂与NOx反应将其转化为N2。为实现NOx而超低排放,氨或尿素必须过量使用,这就导致了烟道设备腐蚀和换热器积灰严重等问题,直接影响锅炉系统热效率和安全性。同时,过量的氨排入大气（氨逃逸）,不仅污染环境,也为SO2和NOx形成二次颗粒提供所需氨源,促进大气中可凝结颗粒物和PM2.5生成。因此,研究和开发先进的循环流化床超低氮燃烧技术,通过调控燃料特性、优化组织燃烧反应方式和条件,在循环流化床锅炉燃煤过程中直接将氮氧化物生成浓度降低到超低排放水平以下,从源头解决氮氧化物排放及其所造成的系列问题,是推进循环流化床煤燃烧理论和技术创新的重大前沿课题,具有非常重要的科学意义和应用价值。本课题以此为研究目标,选用与循环流化床锅炉使用的粒径范围一致的燃料煤为实验样品,采用先进的微型流化床实验装置,研究了在循环流化床锅炉处于热解、气化、燃烧反应条件下氮释放、迁移和还原等相关基础规律。主要研究内容包括:循环流化床锅炉中典型密相区颗粒和典型稀相区颗粒燃烧特性;不同尺寸颗粒煤在热解、气化、燃烧氛围中的气态氮释放特性;半焦尺寸变化对NO还原特性和机理。本研究成果为循环流化床超低氮排放技术的研发提供基础数据支持。首先,利用微型流化床系统检测了粒度分布为1.70～3.35mm和0.12～0.23mm两种典型尺寸燃煤颗粒在790～900℃温度范围的燃烧特性,成功获取了燃煤颗粒的动态燃烧特性,展现了粗颗粒燃烧过程中经历的挥发分燃烧和原位新生半焦燃烧两个主要阶段,采用等温方法研究了典型粗颗粒煤的动力学特性,确定了燃烧活化能参数。研究发现,挥发分的析出和燃烧均为快速反应,颗粒煤的燃烧速率受原位新生半焦燃烧过程控制。动力学分析计算结果表明,典型粗颗粒煤的挥发分燃烧和原位新生半焦燃烧阶段所对应的本征动力学活化能分别为107.2k J/mol和143.9k J/mol。其次,研究了三种不同粒度分布烟煤和无烟煤在热解、气化和燃烧反应条件下四种主要气态氮产物HCN、NH3、NO和NO2的释放规律,并总结了流化床燃烧时一次气态氮产物的释放路径。结果表明,微型流化床可以实时检测挥发分氮和焦炭氮的动态释放序和类型,热解、气化和燃烧反应气氛的改变主要影响HCN和NH3的释放量。热解产物的气态氮主要是来自于挥发分,燃烧反应的HCN和NH3的释放量与温度有明显关系,而气化反应的各类气态氮释放量随温度变化波动不大。煤颗粒尺寸和温度变化对烟煤和无烟煤中各类气态氮释放量产生影响比较复杂,发现NH3的释放特性可以作为区分挥发分N释放和半焦N释放的重要特征。最后,在掌握流化床颗粒煤燃烧特性和主要气态氮释放规律的基础上,研究了通过调控燃煤半焦尺寸实现有效降低氮氧化物生成的可行性。结合实时烟气分析,定量研究了5种粒径半焦对NO（烟气NOx的最主要成分）的还原特性和机理。研究发现,NO中的还原能力和机理与半焦颗粒尺寸有关:随粒径的增大,颗粒半焦的NO还原反应主导时间更长,还原能力更强。分析表明,粗颗粒半焦还原NO的反应能力大,释放CO量大有利于NO还原,同时半焦对CO还原NO催化作用强。研究表明,通过调控反应过程中半焦颗粒尺寸,合理组织煤燃烧过程,增强半焦还原NO与半焦氧化反应的竞争性,能够实现高效燃烧条件下NOx的超低排放目标。本研究结果说明,合理设计流化床锅炉结构,优化流化床中气氛分布,科学组织燃烧温度场分布,实现循环流化床锅炉原始氮氧化物超低氮排放是可行的,本研究结果对深化燃煤过程中氮氧化物生成和抑制机理的认识具有一定的科学价值,对开发新型循环流化床超低氮氧化物排放技术也具有重要意义。