富氧燃烧技术（Oxy-fuel）是现阶段控制燃煤设备CO2排放的主要技术，经过锅炉烟气再循环和冷凝去水，乏气中CO2的体积分数通常超过90%，可以直接压缩和封存。O2/H2O燃烧技术被认为是Oxy-fuel燃烧的升级，以水蒸气替代循环烟气通入主燃区，尾气经处理后可以实现CO2的富集。水蒸气可以调节主燃区的温度避免热力型NOx大量生成，并且可以与燃料发生反应生成还原性气态产物进一步降低NOx生成。明确O2/H2O燃烧过程中NOx的生成和转化机理，建立反应条件与NOx释放规律的联系是实现O2/H2O燃烧技术应用的必要基础。本文通过燃烧机理实验和多种分析测试手段对原煤焦、脱灰煤焦和脱灰煤燃烧过程中颗粒表面化学性质、化学结构和燃料氮的释放规律展开研究，明确了焦炭反应阶段对于煤基燃料燃烧过程中NOx释放的贡献和影响程度，揭示了焦炭表面化学结构和微观结构对于燃料氮释放的影响规律。
　　首先以典型烟煤煤焦作为研究对象，在燃烧条件下确定char-N向NOx的转化规律。通过部分氧化和部分脱附，制备不同燃尽程度和不同脱附程度的焦炭样品，结合傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy)、程序升温脱附/还原(Temperature programmed desorption/reduction)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy)确定常规煤焦燃烧过程中颗粒表面主要含氧复合物的化学结构为：carboxylic（羧基）、phenol（酚）、anhydride（酸酐）、ether（醚）、lactone（内酯）和quinone（醌），颗粒表面含氧复合物总量在反应前期（Xc≈0.3）达到最大数量。颗粒表面含氮复合物主要为吡咯(N-5)、吡啶(N-6)和质子化氮(N-Q)，并且其热稳定性如下所示：N-5＜N-6＜N-Q。
　　通过酸洗处理(HF-HCl-HF)和高温热解制备排除碱金属及碱土金属(AAEM)干扰的SH脱灰煤焦，通过燃烧实验和部分氧化处理对脱灰煤焦燃烧全过程进行整体和局部反应特性的研究。利用TPD测量颗粒表面含氧复合物的总量，发现反应进行到前中期（Xc≈0.35）颗粒表面含氧复合物总量最大，并且颗粒表面的C(O)主要为CO2的前驱物。结合FT-IR分析可以确定脱灰煤焦表面含氧复合物热稳定性及脱附中心温度如下：phenol（1000K）＜carboxyl（1150K）＜ether/anhydride（1400K）＜quinone（1600K）＜lactone（1650K）。焦炭颗粒表面C(O)总量与焦炭对NO的还原能力呈正相关，C(O)总量可以用来侧面表征样品燃烧过程中NO的释放规律。高温燃烧时（Tr≥1200K），由于异相和均相还原反应的存在，大多数NO被焦炭和C(O)脱附产物CO还原为N2。
　　利用高温水平反应系统在1073–1473K的温度范围内，研究了反应温度、氧气浓度和水蒸气浓度对脱灰煤焦O2/H2O燃烧过程中含氮气态产物生成的影响规律，并且与TPD和Raman方法获得的表面化学结构和表面微观结构特性建立起关联。反应温度和气氛中氧气浓度的升高，有利于颗粒表面C(O)的生成以及芳香环结构的裂解，增强焦炭颗粒的还原反应性，促使燃烧过程中NOx的转化率降低。随着反应气氛中水蒸气浓度的升高，N O的转化率先增加后减少，最佳水蒸气浓度为8.5vol.%。在O2/H2O燃烧反应气氛中?H和?OH的作用下，颗粒表面主要的C(O)种类为ether、phenol、quinone和lactone。由于氧化性分子对焦炭颗粒表面结构的攻击，颗粒表面含氮复合物的分布也受到影响。O2/H2O燃烧前期，颗粒表面N-Q和N-6结构相对含量明显降低，N-5结构相对含量大量增加；由于N-5热稳定性较弱，所以燃烧中后期N-5大量分解或转化为稳定的N-Q和N-6。脱灰煤焦的化学反应速率与表面复合物总量具有较好的一致性，焦炭反应初期颗粒表面C(O)的总量与反应速率常数（ks）具有较好的线性相关性。
　　最后，研究脱灰煤O2/H2O燃烧过程中氮元素的迁移和释放规律。研究发现，NO、N2O、NH3和HCN是脱灰煤Oxy-steam燃烧过程中的典型含氮气态产物，其中N2O、NH3、HCN和一部分NO由volatile-N脱附产生，char-N的主要气态产物为NO。并且，反应温度、氧气浓度和水蒸气浓度的升高均会促进燃料氮在挥发分燃烧阶段的释放。在本研究条件下，相比于挥发分燃烧阶段产生的还原性气态产物（HCN和NH3），焦炭颗粒的微观结构特性与燃烧过程中NOx的释放具有明显的相关性，说明焦炭颗粒的反应性是决定O2/H2O燃烧过程中coal-N释放规律的主要因素。