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世界经济飞速发展,对能源有了更大的需求,同时对能源的利用也提出了更高的要求。尽管新型能源、可再生能源的比重逐年上涨,但煤炭作为一种传统的化石燃料,能够提供稳定的电力输出进而保障能源安全。此外,在能源副产品、化工生产方面煤炭也有着非常重要的作用。煤热解制得气和油,剩余的残余焦炭体量庞大并且具有很高的热值。将其与高挥发分煤掺混燃烧是一种很有应用前景的举措,从而实现煤的分级分质利用。碳基燃料的大规模消耗,生成大量污染性气体NOx和温室气体CO2,对环境造成很大的危害,导致全球气候变暖。水-氧燃烧技术作为一种新型的燃烧技术,采用水蒸气调节火焰温度,同时水蒸气又参与燃烧反应,生成的还原性气体能够很好的降低NOx排放浓度,同时也是一种很好的CO2捕集技术。本文采用先进的光学诊断技术,在平焰携带流高温反应器上对空气、水-氧燃烧条件下神华烟煤、热解半焦以及混合燃料的着火燃烧、燃尽、NOx排放特性进行了试验研究,探究了温度、氧气浓度和水蒸气浓度等因素的影响规律。为实现我国碳达峰、碳中和目标,实现煤炭清洁、高效利用,实现智慧技术能源做出贡献。采用平焰携带流煤粉/焦炭反应器,对超低挥发分热解半焦颗粒流的着火行为和燃烧特性进行了研究。同时对挥发分含量较高的神华烟煤进行了实验研究,用于对比分析。采用OH平面激光诱导荧光（OH-PLIF）、CH*/NO*自发辐射、全光谱自发辐射和三色高温计等先进的光学诊断技术对神华烟煤、热解半焦的着火过程、火焰温度和火焰结构等进行了测量分析。当氧气浓度从30%降低到5%或环境温度从1800K降低到1600K时,热解半焦的加热和着火过程减缓。在30%O2的富氧条件下,热解半焦的燃烧更为剧烈。初始阶段挥发分迅速的析出过程对热解半焦着火的影响很小,热解半焦颗粒流的燃烧模式以异相燃烧模式为主。通过光学平焰携带流反应器搭配CH*/NO*自发辐射技术,研究了不同环境氧气浓度（10%～30%）条件下,超低挥发分(Vad≈10%)热解半焦和高挥发分(Vad=30.25%)神华烟煤的挥发分燃烧和NO释放特性。由于热解半焦较低的挥发分含量、缓慢的脱挥发分速率、均相-异相联合着火燃烧模式,其挥发分燃烧区比神华烟煤延迟。并且测定了着火过程中燃料氮向NO的转化率和挥发分氮、焦炭氮的释放比例。通过积分CH*或NO*反应区域的自发辐射强度,可以得到半定量的NO释放积分强度和挥发分燃烧强度。神华烟煤的挥发分燃烧和NO释放表现出较好的同步性,意味着着火区的NO主要由挥发分中的氮生成。热解半焦的NO释放主要来源于着火后期阶段的焦炭氮。着火初期阶段NO的均相氧化/还原反应起着很重要的作用,而焦炭的异相反应（尤其是超低挥发分热解半焦）主要在后期阶段起重要的作用。富氧环境有利于降低神华烟煤着火阶段的NOx排放。通过平面火焰光学携带流反应器搭配OH平面激光诱导荧光技术,探究了热解半焦和神华烟煤按照不同质量掺混比混燃时的着火、燃尽和燃料间相互作用。通过对比质量分数平均值和实验测量值,发现热解半焦和神华烟煤之间存在一定的相互作用。由于共混物中挥发分和碱金属、碱土金属的作用,混合燃料的着火表现出协同效应。引发这种协同效应的重要因素是灰中的碱金属和碱土金属能降低着火温度、加速挥发分释放,因此缩短了着火延迟。由于高温火焰和碱金属、过渡金属的作用,表现出对混合燃料燃尽的促进作用。综合考虑着火延迟和燃尽率,热解半焦的最佳质量掺混比大约是20%,这一掺混比例下混合燃料固定碳的燃尽大大提高、着火延迟明显缩短。通过层流平焰反应器搭配高时空分辨率、大视场OH平面激光诱导荧光（OH-PLIF）诊断技术,探究了53-80μm粒径范围的神华烟煤颗粒流中单颗粒的脱挥发分、着火和挥发分的燃尽。大视场的OH-PLIF诊断图像覆盖颗粒流中单颗粒从着火到挥发分燃烧结束的全部空间。确定了单个颗粒周围的径向OH分布和峰值到颗粒中心的距离。利用单颗粒高时间分辨率的OH-PLIF图像,识别并测量了火焰锋面当量直径、火焰锋面当量直径的增长速度和全部的挥发分燃烧时间。通过对比单颗粒和颗粒群的着火和挥发分燃烧,发现颗粒间的相互作用对着火和初始挥发分燃烧的影响可以忽略不计。由于颗粒间的相互作用,颗粒流的挥发分燃烧持续时间增加。火焰锋面当量直径的增长速度与环境烟气气氛中的氧气浓度密切相关。当环境氧气浓度从10%升高到30%时,火焰锋面的当量直径随氧量的增加,其增长速度变慢。采用OH-PLIF诊断技术、FT-IR红外烟气分析仪,对水-氧燃烧条件下神华烟煤、热解半焦和混合燃料的着火燃烧、NOx排放特性进行了研究。探究了水蒸气浓度、氧气浓度以及混合燃料中两种燃料间的相互作用对着火和NOx排放的作用机制。随着水蒸气浓度的增加,神华烟煤、热解半焦和混合燃料的着火延迟距离增加,NO排放浓度降低。0%-20%水蒸气浓度气氛下,随着氧气浓度从5%升高到15%NO排放浓度降低;30%-50%水蒸气浓度气氛下,随着氧气浓度从5%升高到15%NO排放浓度升高。随着氧气浓度从3%增加到40%,神华烟煤和混合燃料的着火延迟距离单调减少,热解半焦的着火延迟距离先增加后减少。当O2:H2O=5%:（30%-50%）时,热解半焦和神华烟煤混合燃料间具有协同效应,能够促进混合燃料的着火,同时降低NOx的排放。