本文在开发煤粉着火理论预报方法的基础上,应用实验研究与数值模拟相结合的方法,对煤粉再燃过程中极其复杂、具有高度非线性的两种临界现象-挥发分及煤焦还原脱硝临界现象与煤粉着火临界现象的相互作用进行了研究。首次发现了煤粉再燃脱硝效率随过量空气系数变化而显现的突变性质与煤粉燃烧典型的临界现象-“着火”有关,并从理论上阐明了煤粉再燃脱硝与煤粉着火过程相互作用的物理本质,对再燃脱硝效率随过量空气系数发生突跃变化的临界现象作出了合理解释。本文研究成果对煤粉着火及燃烧特性的预报、以及工程应用中确定再燃运行参数有重要现实意义,并为煤粉再燃技术的工业应用提供了坚实的科学指导。本文采用居里点裂解发生器与气相色谱仪研究了神木烟煤、二号烟煤及晋城无烟煤煤粉的快速热解特性。实验发现:煤粉的快速热解失重主要发生在升温阶段,烟煤与无烟煤挥发分中焦油的质量分数均最大,其中烟煤焦油释放量占挥发分的质量分数达到50%以上,高于无烟煤。根据热解产物的释放数据,采用单方程反应模型计算出了热解反应动力学参数。依据这些参数,本文开发了考虑包括焦油在内的具体热解成分的单颗粒煤粉着火过程、传热、传质、化学反应全耦合瞬态精确模型,并对上述三种煤的着火及燃烧过程进行了严格的数值模拟。发现三种煤粉的着火模式均为联合着火,计算结果验证了炭粒着火初期颗粒表面CO火焰所引起的高温,而且给出了挥发分火焰引燃颗粒表面一次反应产物CO的证据。此外,本文还采用该模型计算了煤粉发生联合着火时的能量分配系数。针对全耦合燃烧瞬态模型计算过程复杂、计算时间太长等缺点,本文开发了基于可燃气体着火极限理论的单颗粒煤粉非稳态均相着火简化模型,并采用全耦合瞬态模型对简化模型的计算精度进行了验证。针对三种煤的计算结果表明,简化模型理论假设合理、计算精度较高、计算过程简单、计算时间很短,可以满足工业应用。基于上述简化的均相着火理论,本文开发了适合工程应用的煤粉气流均相着火模型。上述关于模型的工作解决了煤粉燃烧领域中以前一直未能很好解决的一个基础理论问题,研究成果具有学术理论和实际应用的双重意义。最终,本文结合关于炭粒的热力着火模型,开发了再燃条件下煤粉气流发生着火时的临界条件的预报方法。本文设计建立了煤粉再燃实验系统,对煤粉脱硝效率、烟气中主要气体含量和部分残焦随再燃区过量空气系数及停留时间的变化规律进行了实验研究,对再燃区炉膛图像进行了在线采集,并采用上面开发的方法预报了再燃煤粉的着火状态。从理论上说明了煤粉再燃脱硝与煤粉着火过程相互作用的内在本质,阐述了再燃区各运行参数影响脱硝时的内在关联。再燃温度较低时,煤粉脱硝效率及烟气中H2、CO含量曲线随再燃区过量空气系数增大均呈现不规则“M”型的变化规律,煤粉着火状态对脱硝效率有关键影响。当煤粉尚未着火时,少量氧气的存在有利于煤粉的同相脱硝反应,此时煤粉在再燃区的最佳停留时间与烟气中碳氢化合物的消耗速率有关。但当过量空气系数较高以致引起煤粉发生均相着火时,碳氢化合物及其中间产物被氧化反应大量消耗掉,脱硝效率明显降低,煤粉在再燃区的最佳停留时间与煤粉着火时间基本吻合。当再燃区过量空气系数进一步增大时,挥发分燃烧产生的热量加热并引燃煤焦,此时煤粉着火方式为联合着火,颗粒大幅升温,残留挥发分释放及表面氧化反应速率快速上升,有利于煤焦表面CO和自由活性点的生成。NO的异相还原反应速率随颗粒温度升高也会快速上升,此时异相还原反应开始占优,总体脱硝效率上升,在实验研究的停留时间范围内脱硝效率持续上升,此时最佳停留时间的确定应与煤粉燃尽一起来考虑。太高的过量空气系数会导致煤焦燃烧开始受到扩散控制,火焰离开颗粒表面外移,氧气难以到达颗粒表面,不利于煤焦升温和表面自由活性点的生成,异相脱硝作用开始减弱,总体脱硝效率再次下降。较高再燃温度下煤焦颗粒升温对异相脱硝的促进作用不如低温工况明显。再燃温度固定时较粗煤粉发生均相着火及联合着火时的临界过量空气系数下降,导致出现上述现象时的过量空气系数亦有所降低。针对上述研究结论,本文认为,在实际锅炉的大多数再燃工况下,由于煤粉的均相着火,挥发分对NOx的均相还原效用并没有得到充分的发挥。在煤粉再燃初期,应尽量避免发生着火,以使煤粉热解释放出的挥发分能够主要用于对NOx的同相还原反应,而不是被燃烧反应消耗掉;在再燃过程后期,应该使煤焦刚好发生着火,从而促进颗粒升温和异相还原反应的进行。本文最终提出了理想的再燃方案:极少量空气或部分来源于尾部烟道的烟气携带再燃煤粉进入再燃区起始段,该区段过量空气系数很低,从而避免煤粉发生着火,确保同相还原反应效果占优并最大化。在再燃区第二段,注入少量空气,确保起始段形成的煤焦刚好发生非均相着火,从而使得异相脱硝反应效果占优并最大化。采用该方案应该能够同时有效解决“均相着火”对同相脱硝的抑制作用、以及“非均相不着火”对异相脱硝的不利影响。本文研究结论对实际工程应用中确定再燃区各运行参数、实施再燃方案有重要的指导意义。