随着污染物排放法规的日益严格和煤炭燃烧带来的环境问题逐渐加重,国家对煤炭的高效清洁利用提出了更高的要求。煤炭的利用已经由简单的燃烧向煤基能源及化工系统过渡,以实现煤炭高效、环保及经济利用。主流的煤炭高效清洁利用技术是将煤炭转化为气体、液体燃料或者化工产品进行利用。由于技术限制,煤炭转化过程中会产生大量含碳量较高的细粉半焦,降低了煤炭资源的利用效率。此外,经过处理后形成的细粉半焦燃烧特性较差,难以通过常规燃烧对细粉半焦进行二次利用。本论文在前期预热燃烧研究的基础上,建立了适合细粉半焦的预热燃烧系统用于研究细粉半焦的预热燃烧过程及燃料氮转化过程,以实现细粉半焦的高效燃烧和低NOx排放。在改造后的实验系统中,用于预热的循环流化床采用无布风板结构,在无添加惰性床料条件下用于细粉半焦的预热。预热过程中,部分细粉半焦能够被旋风分离器分离形成返料半焦,返料半焦的循环维持了循环流化床内温度的稳定。因此部分细粉半焦形成的物料循环是循环流化床持续稳定运行的关键。预热过程中,返料半焦和细粉半焦的部分燃烧用于维持循环流化床的热量平衡,高温的返料半焦为返料半焦和细粉半焦的部分燃烧提供了着火热源。在细粉半焦和大同煤粉预热过程中,提高一次风当量比和预热温度均可促进燃料氮的转化,其中一次风当量比对于燃料氮的转化促进作用更显著,一次风当量比的提高促使更多的燃料在循环流化床中燃烧,因此更多的燃料氮得以释放,同时循环流化床中的还原性气氛保证了释放的氮元素不被氧化为NOx。因此,在一定范围内提高一次风当量比可以有效的提高预热过程中提前脱氮的效果。在细粉半焦与大同煤粉预热过程中,燃料氮的转化过程与燃料的比表面积、孔容积呈现不同的变化趋势。在大同煤粉预热过程中,燃料氮的转化分为明显的挥发分氮转化和焦炭氮转化两个过程,同时孔面积和孔容积曲线的峰值出现在挥发分析出之后,表明挥发分析出的过程可以有效的增加孔面积和孔容积；之后,提高一次风当量比,孔面积和孔容积分布曲线逐渐降低,表明提高一次风当量比造成了部分孔隙的坍塌,使焦炭氮的析出变得困难。在细粉半焦预热过程中,燃料氮的转化没有明显的挥发分氮与焦炭氮的区分,燃料氮的转化与固定碳和挥发分的转化基本呈现同步关系,提高一次风当量比,孔面积和孔体积曲线分布逐渐升高,表明提高一次风当量比促进了孔隙结构的扩大,为焦炭氮的转化提供了空间,方便焦炭氮的转化。通过对比大同煤粉、细粉半焦和清河污泥的预热过程,表明燃料氮在挥发分与固定碳中的分布决定了预热过程燃料氮的转化,除细粉半焦外,大同煤粉和清河污泥在预热过程中挥发分首先转化,由于清河污泥中燃料氮主要分布在挥发分中,因此燃料氮转化率明显高于大同煤粉中燃料氮的转化率。因此,高挥发分燃料预热过程中,燃料氮在挥发分与焦炭中的分配是影响预热过程燃料氮转化的最重要因素。在细粉半焦预热过程中,细粉半焦中含氮官能团的种类决定了燃料氮以NH3和N2的形式转化并释放。细粉半焦中的含H基团为NH3的形成提供了H。在燃烧过程中,下行燃烧室100 mm处出现NO浓度峰值的形成主要是燃气中的NH3的氧化,通过优化二次风喷口结构能有效抑制这部分NO生成,下行燃烧室900 mm处NO浓度峰值的形成与三次风通入后未燃尽的细粉半焦中燃料氮的直接氧化有关。在细粉半焦预热燃烧过程中,选择合适的一次风当量比和预热温度有助于促进预热过程燃料氮的转化并降低进入下行燃烧室的NH3浓度；在燃烧过程中,合理的二次风布置可以避免局部氧化区的形成,避免NH3与氧气接触直接生成NO,促进NH3与焦炭反应向还原成N2方向转化,可有效的降低NO的生成；在燃料氮释放后期,通过调整三次风配风可以进一步降低NO的生成。实验结果表明,通过参数优化可以实现NOx排放降低至60 mg/m3(@6%02),同时燃烧效率为97.74%,实现了细粉半焦的高效清洁燃烧。大同煤粉与气化细粉灰的预热燃烧及燃料氮转化实验结果表明,预热过程中,循环流化床内温度分布与燃料特性有关,挥发分的降低使循环流化床内温差减小,温度分布均匀,也使得返料器出现后燃现象；燃烧过程中,燃料的热值对下行燃烧室温度分布有重要影响,气化细粉灰在燃烧后期温度降低明显,较低的燃烧温度导致氮元素的析出困难,初始燃烧区域二次风喷口布置对最终NOx排放影响减弱；大同煤粉预热过程中产生的NH3浓度远高于其它两种燃料,较高的NH3浓度造成在初始燃烧区域较高的NO2或者NO浓度,为后期降低NOx排放增加困难,同时预热大同煤粉中氮元素在燃烧过程中逐渐释放,使得NOx控制更加复杂。因此,对于此类燃料需要明确氮元素在挥发分与焦炭中的分布,提高燃料氮在燃烧前的转化率,并且在全部燃烧区域内需要优化配风结构。