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无焰燃烧由于燃烧稳定性好、NOx排放低等优点,近三十年来由气体燃料燃烧推广到固体燃料燃烧。本论文利用燃料预热并结合空气分级的方法,实现低挥发分碳基燃料的无焰燃烧,以期获得低挥发分碳基燃料稳定燃烧及超低NOx排放的调控技术,为难燃固体燃料的工程利用提供技术支持。本论文在固体碳基燃料预热无焰燃烧实验台上,对预热燃烧器的运行特性、高温预热燃料的燃烧特性以及NOx的生成特性进行了深入的实验研究,并对燃料自身属性（挥发分含量及燃料粒径）、喷口结构及配风方式等影响因素进行了系统的分析。燃料经预热后产生高温的煤气和煤焦,煤气携带煤焦进入下行燃烧室并完全燃烧。燃料中大部分的挥发分在预热过程析出,挥发分中的氮随之析出并主要转化为N2,少量转化为NHi等NOx的中间产物。预热燃料的性质不仅与燃料自身属性有关,还与预热燃烧器的温度和预热燃烧器空气当量比密切关联。实验证明,燃料的挥发分含量越高、比表面积越大,产生的煤气中可燃组分含量也越高。随着预热燃烧器的燃烧温度升高（可由燃料粒径变化或燃料与空气量的比变化引起）,煤气中的H2含量升高,而CO含量降低。相较于原始燃料,煤焦颗粒尺寸更小（100μm以内）,比表面积明显增大,而平均孔径却有着不同程度的下降。以中心对称布置二次风喷口为载体,对高温预热燃料无焰燃烧及NOx生成的基本特性进行了相关实验研究,并分析了不同操作参数的影响。结果表明:通过适当增大预热燃烧器空气当量比,增加燃料氮在预热过程的释放率,可以有效降低NOx排放;而减小二次风射流与预热燃料射流的间距及射流角度,同样可以在一定程度上降低NOx排放,但效果并不显著;二、三次风分级对预热燃料燃烧及NOx排放影响更加显著;当二次风当量比为0.4左右时,NOx排放最低;在下行燃烧室的合适位置通入三次风,并增强还原区的扰动,可以有效抑制NOx生成。通过这些方法,可将NOx原始排放控制在50 mg/Nm3（@6%O2）左右。在多通道同轴射流喷口上,同样对预热燃料的燃烧及NOx生成特性进行了研究。研究发现:当内、外二次风量比接近于1时,燃烧最均匀且NOx排放最低;通过在内二次风通道添加CO2模拟烟气再循环,燃烧室整体温度下降且NOx排放降低。对不同的喷口结构进行研究,结果表明,在该实验系统中,内二次风直流比旋流更具优势,NOx排放明显更低。通过以上研究,发现低挥发分固体碳基燃料（神木半焦与气化细粉灰）的高温预热燃料可较容易实现稳定的无焰燃烧;在无焰燃烧模式下,下行燃烧室温度分布均匀,整体呈暗红色,燃烧区域较为透明,无明显火焰锋面;和预热燃料的火焰燃烧相比,其NOx排放可减少一半甚至更多。实验表明,预热燃烧器空气当量比、二次风射流速度等并不是影响预热燃料无焰燃烧实现的主要因素,预热燃料可在较大参数操作范围内实现无焰燃烧。然而不合理的三次风喷口布置以及内二次风旋流,却会使得燃烧过程过于集中,造成预热燃料的火焰燃烧。