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富氧燃烧被认为是最具潜力的大规模碳捕集技术之一,近年来备受推崇。将富氧燃烧与MILD燃烧（Moderate or Intense Low-oxygen Dilution,简称MILD）相结合形成MILD富氧燃烧技术,不仅可以提高富氧燃烧的稳定性,还具有较高的燃烧效率和极低的NOx和碳烟排放,被誉为21世纪最具发展前景的新型燃烧技术之一。本文采用实验、数值模拟和反应动力学分析方法,针对目前MILD富氧燃烧基础理论研究相对匮乏的现状,对MILD富氧燃烧下的均相反应机理和NO生成特性进行了系统地研究。首先,本文以Kim等人开发的JL机理（Jones和Lindstedt发展的总包机理）为基础机理,以CO峰值浓度和平衡浓度与详细机理对照为判据,优化了MILD富氧燃烧下的JL总包反应机理。将7种不同版本的JL总包机理分别在富氧燃烧、MILD空气燃烧和MILD富氧燃烧条件下与2个详细机理进行了实际燃炉、同轴热伴流火焰和柱塞流反应器三方面的比较和验证。结果表明,本文优化后的JL-MO机理显著改善了对MILD燃烧、富氧燃烧和MILD富氧燃烧条件下主要组分的峰值和平衡浓度的预测。接着,本文使用误差评估函数方法,系统评估了常压和加压富氧燃烧条件下7种甲烷燃烧的详细机理,并进行了系统的机理简化和验证。结果表明USC-Mech II是富氧燃烧下综合表现最好的机理,它能准确地模拟富氧燃烧下CO的生成情况。开发得到包含34种组分和155种反应的骨架机理以及22种组分和19步总包的简化机理,与详细机理和实验进行对比验证,相对误差小于10%。进一步地,利用自主搭建的射流搅拌反应器实验数据,系统地评估6种含N的甲烷详细燃烧机理,结果表明PG2018是整体预测最好的机理,可以应用于富氧和空气工况。将PG2018机理进行系统的骨架简化,最终得到了包含35个组分和259步反应的含N骨架机理。本文得到的含N骨架机理不管是富氧工况还是空气工况,与详细机理的相对误差均小于20%。然后,通过实验、文献分析和反应动力学系统地研究了NO排放与当量比（Φ）的关系这一经典问题。总结了MILD燃烧下NO排放的两种不同的趋势,即NO排放可以“先增加然后减少”,或者“先减小然后增加”,并对其进行了机理分析。获得NO和CO的超低排放（NO≤5 ppm和CO≤10 ppm@3%O2）的推荐反应参数范围为1100 K≤Tr≤1500 K、YO2≥4%、Φ≈0.85。最后,通过实验和CFD数值模拟研究了初始条件对20 kW燃烧炉甲烷MILD燃烧NO排放的影响。发现实现最小NO排放的最优当量比（Φ）在0.8-0.9之间,且在各种P和TO下均存在可以获得最小NO排放的最优Φ。在20 kW实验中,在该最优当量比下实现了NO的超低排放（<1 mg/m3）。