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2018年我国煤炭消费总量36.8亿吨,其中约80%的煤用于直接燃烧。目前针对燃煤锅炉氮氧化物排放执行100mg/Nm3标准,但是由于排放源密集、空气污染物容量受限,发达地区已经执行了NOx排放限值为50mg/Nm3的超低排放标准。采用烟气后处理技术可实现煤粉工业锅炉NOx超低排放,但烟气后处理技术投资及运行成本高,经济性差。因此,针对煤粉工业锅炉,如何降低锅炉初始NOx排放是行业研究的难点和热点。从技术和经济角度出发,在众多低氮燃烧技术中,空气分级燃烧一直是应用最广泛的控制燃煤锅炉NOx排放的措施。为了降低煤粉工业锅炉初始NOx排放,提高深度空气分级煤粉燃烧模型准确性,通过数值模拟与实验相结合的方法,改进了煤粉燃烧模型,并探究了深度空气分级下煤粉燃烧特性及NOx生成等问题。首先,基于焦炭气化反应动力学,改进传统煤粉燃烧模型并修正NOx预测模型参数;其次,在高温滴管炉上开展深度空气分级实验研究,并针对滴管炉采用煤粉燃烧改进模型开展数值计算,验证模型的准确性;再次,针对煤科院40t/h煤粉工业锅炉,采用煤粉燃烧改进模型进行数值计算,研究火上风率和火上风配风高度对燃烧特性及NOx生成的影响规律;最后,针对较佳的深度分级工况进行工程试验,检验改进模型的准确性及煤粉工业锅炉深度空气分级燃烧的低氮效果。本论文的研究内容和取得的研究成果包括以下几个方面:（1）基于高温滴管炉的深度空气分级数值模拟与实验研究。将焦炭气化反应与传统煤粉燃烧模型耦合,建立了煤粉燃烧改进模型,并针对高温滴管炉进行数值计算;开展了高温滴管炉深度空气分级实验研究。研究结果表明:改进模型较为准确地刻画了深度空气分级工况下还原区的特征,且定量的预测了还原性气体CO与H2的浓度。煤粉燃烧改进模型用于预测深度空气分级燃烧具有较高的准确性。（2）40t/h煤粉工业锅炉深度空气分级数值模拟研究。首先,建立了几何模型并进行了计算域网格划分及网格无关性检验;其次,采用经过验证的改进模型,探究了火上风率对煤粉燃烧、燃烧器内空气动力场及NOx生成的影响;最后,探究了火上风配风高度对NOx生成等的影响。研究结果表明:当火上风率由0增加至45%时,锅炉初始NOx排放浓度由692mg/m3下降至421mg/m3,降幅39.2%;双锥燃烧器出口烟气平均温度增加317K,且燃烧器内温度分布更加均匀;双锥燃烧器出口烟气流速降低27m/s,燃烧器内速度场分布更加均匀。另外,双锥燃烧器内回流区并未受到旋流二次风量降低的影响,煤粉在双锥燃烧器内着火及稳定燃烧不会受到影响。双层配风低氮效果较好,但是会造成焦炭转化率的降低,较佳的火上风配风高度为6.45m。（3）煤粉工业锅炉空气分级低氮燃烧工程试验研究。以煤科院某40t/h煤粉工业锅炉为研究对象,首先研究了锅炉不采用空气分级燃烧技术下,锅炉负荷及氧含量对NOx排放的影响;其次,研究了空气分级燃烧工况下,火上风率对NOx排放的影响,并分析了双锥燃烧器内和炉膛沿程烟气温度及组成的变化规律。研究结果表明:满负荷下随火上风率增加,锅炉NOx初始排放浓度逐渐降低。当火上风率为30%时,锅炉初始NOx排放浓度由630mg/m3降低至409mg/m3,降幅35%;双锥燃烧器内烟气流速降低,炉膛上部温度升高40K,炉膛中部温度基本不变;双锥燃烧器内烟气温度及组成变化规律与改进模型预测结果一致,均揭示了深度空气分级下煤粉由热解、燃烧反应向气化反应转变的过程。煤粉燃烧改进模型具有较高的准确性,深度空气分级低氮燃烧技术可有效降低40t/h煤粉工业锅炉初始NOx排放浓度。