化石燃料燃烧是人类生产生活所需能量的基本来源之一,而燃烧伴随碳黑颗粒物的生成和排放过程,给气候环境和生命健康带来了不利影响,因此,控制燃烧碳黑的生成与排放对实现化石燃料的清洁高效利用具有重要意义。研究碳黑的生成演化机理对控制其排放至关重要。接触式和非接触式燃烧诊断技术已广泛用于气体和液体燃烧火焰的检测,综合应用两种技术探索单颗粒煤燃烧碳黑的分布及微观特征有利于揭示煤燃烧火焰碳黑演化过程、建立燃煤碳黑生成模型。首先,本文搭建了固定床单颗粒煤燃烧检测实验装置,基于非接触式方法研究了大同、神华和印尼三种单颗粒煤的燃烧过程,检测得到挥发分火焰的温度和碳黑体积浓度分布。结果表明:三种单颗粒煤着火方式都属于均相着火模式,不同煤种颗粒着火延迟时间随挥发分含量升高而降低;从时间分布来看,在挥发分燃烧的初期和末期,火焰总体温度水平较低,碳黑体积浓度较高;从空间分布来看,轴线方向上的碳黑体积浓度自下而上逐渐升高,火焰尾部的温度较低,碳黑氧化能力弱而更容易聚集;从煤种角度看,三种煤颗粒在稳定燃烧阶段的火焰最高温度相差不大,烟煤更容易生成碳黑。此外,设计搭建了一套多角度热泳探针同步取样实验装置,基于热泳探针取样结合扫描电子显微镜技术对单颗粒煤挥发分火焰不同高度处的碳黑演化过程进行了研究。结果表明:碳黑生成的起始阶段、中间阶段以及成熟阶段分别呈现焦油包裹的分散颗粒物形态、簇状形态以及团聚形态。通过程序计算了成熟碳黑的形貌参数,三种煤成熟碳黑的分形维数接近,印尼褐煤平均主颗粒直径最小,团聚物内平均主颗粒数目最多,指前因子最大,碳黑团聚现象更为显著。利用探针法和图像法计算的碳黑体积浓度结果比较吻合,验证了本文计算方法的合理性。进一步地,对比分析了煤颗粒与其他类型燃料燃烧时碳黑生成的差异性,焦油表面氧化和内部碳黑颗粒的生长和聚集是煤燃烧碳黑生成的主要形式。