碳捕集是应对燃煤电厂CO2高排放、实现“双碳”目标的必要举措,其中,氧-水蒸气燃烧技术是极具潜力的碳捕集技术之一。与传统空气燃烧相比,氧-水蒸气燃烧采用H2O代替N2以混合O2,实现煤粉在O2和H2O的混合环境下进行燃烧。这种燃烧方式不仅提高了 CO2捕集效率,而且可以通过H2O调节主燃料区温度从而减缓热力型NOx的生成。然而,目前有关NOx释放特性的研究大多集中于常规燃烧,对氧-水蒸气燃烧条件下煤中氮元素演化机制的研究相对较少,有关H2O及其衍生基团对煤氮演化的影响机制也缺乏清楚认识。本文通过实验方法,探究了氧-水蒸气燃烧前期煤脱挥发分阶段和燃烧中后期煤焦燃烧阶段煤颗粒表面含氮官能团的分布及气相含氮物质的释放特性。以实验结果为基础,借助分子动力学模拟和量子化学计算方法,追踪了各燃烧阶段氮元素的演变路径,对所涉及的氮化学基元反应进行了解析。基于模拟计算得到的基元反应及热力学参数,联立过渡态理论,构建了基于氮化学反应的燃烧动力学模型,找出了煤氮热变迁过程中的主导反应路径,实现了氧-水蒸气燃烧条件下微观氮化学反应机理到宏观煤氮热迁移特性的半定量预测与分析。本文主要工作如下:首先,基于恒温固定床实验,结合XPS、FTIR等测试,对燃烧前期脱挥发分阶段煤颗粒表面进行表征,观测了不同工况下煤中含氮官能团的分布以及气相含氮前驱物的释放,监测了燃烧中后期煤焦燃烧阶段NO和NO2的释放特性。结果表明:脱挥发分阶段,H2O的存在抑制了位于芳香环内部的氮向边界发生迁移,但却促进了 N-6向热稳定性较差的N-5发生转化,与此同时,氧-水蒸气燃烧条件下含氮前驱物HCN和NH3从含氮官能团中的释放也同样被抑制。煤焦燃烧阶段,氧-水蒸气燃烧下NO和NO2释放量明显高于空气燃烧模式,温度和H2O浓度越高,H2O对NOx释放的促进作用越明显。根据FTIR分析可知,氧-水蒸气燃烧下,高浓度H2O（50～80%）衍生得到的大量OH基团是导致其煤氮热变迁特性与空气燃烧模式存在差异的主要原因。其次,借助ReaxFF MD模拟方法,构建了氧-水蒸气燃烧煤脱挥发分体系及煤焦燃烧体系,追踪了不同燃烧阶段N原子的演化路径,找出了脱挥发分阶段HCN和NH3的主要来源,明确了煤焦燃烧阶段焦炭氮的氧化方式,量化了氧-水蒸气燃烧和空气燃烧在OH基团含量上的差距。结果表明:脱挥发分阶段,N-6和N-5分别是HCN和NH3的主要来源;煤焦燃烧阶段,焦炭氮在含氧官能团的作用下分解产生HCN,随后连同挥发分氮一同被含氧物质均相氧化至NOx。此外,氧-水蒸气燃烧下H2O分子和OH基团个数远高于空气燃烧模式,尤其是煤焦燃烧阶段,氧-水蒸气燃烧下OH·自由基个数比空气燃烧下高近10倍。随后,为进一步了解OH对氮化学反应的影响,以ReaxFF MD模拟得到的煤氮热变迁路径为指导,基于密度泛函理论,采用量子化学计算,解析煤脱挥发分阶段和煤焦燃烧阶段的氮化学反应,并获得详细的基元反应及热力学参数。结果表明:氧-水蒸气燃烧前期脱挥发分阶段,OH·自由基吸附在含氮官能团碳质表面形成的羟基加强了 N原子与芳香环的相互作用,提高了氮迁移及释放化学反应的自由能垒,降低了反应速率,从而抑制了 N-Q的迁移以及HCN和NH3的释放。煤焦燃烧阶段,OH对HCN从焦炭氮中析出的过程几乎没有影响,但却改变了 HCN和NH3的均相氧化反应路径,促使HCN向NHi发生转化,使得NHi成为氧-水蒸气燃烧条件下NO生成过程中的关键中产物,反应路径描述如下:HCN→NH2→NH→N→HNO→NO。对于NO还原反应,OH·的参与降低了煤焦与焦炭氮表面的CO异相还原NO的反应能垒,但对无CO参与的焦炭氮异相还原NO反应影响不大。最终,基于量子化学计算得到的基元反应及热力学参数,结合过渡态理论,构建针对氧-水蒸气燃烧煤氮热变迁过程的燃烧动力学模型,考察燃烧过程中各氮化学基元反应间的竞争/耦合机制,找出各阶段的主导基元反应及关键中间产物,揭示H2O及其衍生基团对煤中氮元素演化的影响机制。结果表明:煤粉燃烧过程中NOx的释放主要取决于HCN/NH3的均相氧化过程。虽然OH的存在抑制了燃烧前期HCN和NH3从含氮官能团中的析出,但同时也加速了燃烧中后期HCN和NH3向NO的均相氧化过程。相比之下,OH对NO生成的促进作用更为显著,从而导致煤在氧-水蒸气燃烧条件下NOx释放量高于空气燃烧。此时,基元反应路径NH3+OH→NH2+O2→NO是氧-水蒸气燃烧条件下煤氮演化的主导步骤。