低阶煤的分质分级和梯级利用是煤炭清洁高效利用的战略发展方向,主要途径是煤气化和煤热解。气化和热解过程产生的残碳和半焦可以作为燃料再次利用,这类燃料挥发分含量低,称之为超低挥发分碳基燃料,普遍存在着火困难、燃烧稳定性差、燃烧效率低和污染物排放高等问题。预热燃烧技术能够实现难燃固体燃料的高效燃烧及低NOx排放,基于该技术,本课题提出一种将分离和返料装置内置在提升管中的内循环预热装置用于燃料的稳定预热,以期实现超低挥发分碳基燃料的清洁高效利用和预热燃烧技术在工程领域的推广应用。为了深入研究内循环预热装置的运行特性,本课题主要针对内循环预热装置气固流动特性进行实验和数值计算研究,其次在预热燃烧热态实验中对内循环预热装置进行可行性验证,同时研究了超低挥发分碳基燃料的预热、燃烧和NOx排放特性,为内循环预热装置设计运行以及工程应用提供基础数据和理论支撑。主要研究工作及结论如下:（1）基于内循环预热装置冷态实验台,研究了流化风速对内循环预热装置运行特性和气固流动特性的影响。内循环预热装置能够建立提升管-分离器-回料阀-提升管的循环回路。循环回路负压差主要取决于分离器压降。回料阀颗粒表现为下浓上稀、边壁浓中心稀的非均匀性分布特征。随流化风速的提高,回料阀内颗粒浓度增加,返料模式由连续式返料转为间歇式返料。回料阀难以持续维持循环回路压力平衡所造成的间歇式返料是内循环预热装置运行不稳定的主要因素。压力和ECT测量能够实现对回料阀气固流动状态的实时监测。（2）基于内循环预热装置冷态实验台,研究了回料阀出口开度、回料阀高度、流化风速对内循环预热装置运行特性和回料阀气固流动特性的影响。回料阀出口开度不合适会发生窜气或物料噎塞现象。回料阀高度增加能够提高蓄压能力,其设计高度应为维持压力平衡最小高度的2.2倍。当回料阀返料能力无法匹配循环回路较大的循环量时,物料堆积脱气形成失流化噎塞,循环回路压力平衡难以建立。（3）基于内置式气固分离器冷态实验台,研究了进口结构和运行参数对分离器性能的影响。单进口分离器压降和分离效率均高于多进口分离器,带有进口整流段的分离器压降和分离效率均高于无进口整流段的分离器。以压降和分离效率作为评价指标,应用灰色关联评价法得出带有进口整流段的四进口分离器为优选结构,进口速度在20 m/s较为合适。（4）基于CPFD方法,采用BarracudaTM计算平台,对内循环预热装置气固流动开展三维全回路数值计算。提升管颗粒表现为下浓上稀、边壁浓中心稀的非均匀性分布特征。随流化风速增加,回料阀经历从稀相流态-稀密两相共存流态-密相堆积流态的转变,循环流率先上升后下降。随出口开度的减小,回料阀经历从窜气-稳定料封-噎塞状态的转变,内部流态由稀密两相共存过渡到密相堆积。（5）基于2 MW内循环预热装置测试平台和16 MW内循环预热装置测试平台,研究了超低挥发分碳基燃料预热、燃烧和和NOx排放特性。内循环预热装置能够将燃料预热到850℃以上,且预热过程稳定持续。69.3%的燃料氮在预热阶段中释放,内循环预热装置中的预热过程拥有很强的氮还原潜力。预热燃料燃烧过程中NOx减排需要满足的条件是强气化、强掺混以及长反应时间。随着二次风当量比的降低,NOx的排放先减少后增加;内外二次风动量比的降低、三次风的延迟喷入和多层布置能够有效降低NOx排放;最低NOx排放达到67mg/m3（@6%O2）。