富氧燃烧技术在促进燃料高效燃烧和减少在焦炭燃烧过程中生成的氮氧化物方面有着显著的优势,因此近年来受到了研究者的高度关注。虽然已有大量学者对富氧燃烧过程中氮氧化物的生成与还原规律展开了研究,但其机理尚未完全明确。本工作使用Fortran语言编程,模拟了焦炭颗粒的燃烧过程,通过改变燃烧气氛和燃烧温度等工况条件研究了在颗粒内部焦炭氮的转化与氮氧化物的还原机理及多种气体的传输特性,分析计算结果得到了既有利于焦炭颗粒高效燃烧又有利于原位还原的最佳燃烧气氛。焦炭颗粒由煤粉颗粒经过高温炼焦形成,具有发达的孔隙结构。而焦炭氮基本都是有机氮,碳原子与氮氢等原子结合成环状或链状化合物,这些结构聚成石墨微晶结构进而形成碳基,由于结构特性实际上焦炭氮的反应类似于缩核反应。跟据颗粒内部的结构特点和焦炭氮反应特性建立了全部反应的分子反应动力学模型、传热与传质模型以及焦炭氮的转化模型。通过与实验数据对比表明,该模型可以较好的表征焦炭颗粒的燃烧特性、焦炭氮的转化及原位还原。在燃烧初期,颗粒内部产生了NO短暂的积聚现象。由于影响颗粒内部NO的浓度的主要因素为NO的生成、消耗和扩散,而NO浓度的升高说明了在燃烧初期NO的生成量要大于消耗量和扩散量的总和,这是因为在燃烧初期颗粒内部的燃烧较慢,孔道不发达,气体的传输较慢,而且此时颗粒的还原能力也比较弱,氮氧化物消耗较少,致使颗粒内部NO的浓度升高,出现了短暂的积聚现象。在焦炭颗粒的燃烧过程中,存在氮氧化物的均相还原和异相还原两种还原反应。颗粒内部由于氧气不足而产生了CO气体,CO会和氮氧化物发生均相还原反应,氮氧化物也会吸附到碳基表面发生异相还原反应。计算结果表明,氮气的生成主要来自于均相还原反应,即均相还原反应起到了主要作用,异相还原反应起次要作用。在整个燃烧过程中,焦炭颗粒对氮氧化物的还原能力有变化。在燃烧初期,因为受到二氧化碳的抑制作用和还原反应速率较慢造成了焦炭颗粒对氮氧化物的还原能力较弱。随着燃烧的进行,孔隙结构变得更加发达,有利于气体传输,二氧化碳易于从碳基表面脱附,而碳基表面则不断产生了大量的碳活性位点,氮氧化物吸附到碳基表面并发生还原反应的可能性增加。温度的不断升高也促进了还原反应速率的增大,因此在燃烧的中后期,颗粒对氮氧化物的还原能力增强,氮气的生成量变大。通过改变燃烧温度和燃烧气氛等工况条件来进一步研究焦炭氮的转化特性和原位还原机理。计算结果表明,当氧气浓度为25%时,焦炭颗粒可以高效燃烧,且有利于氮氧化物的还原,是较为理想的燃烧气氛。在一定的温度范围内,环境温度的升高,有利于氮氧化物的还原,可通过适当提高燃烧温度来减少氮氧化物的排放。