化石燃料的燃烧带来了严重的环境问题,开发高效零排放燃烧技术迫在眉睫,纯氧燃烧技术是目前最具潜力的清洁燃烧技术之一。为了实现能源的高效低碳转化,本文提出煤基燃料氧水蒸气燃烧零排放发电技术,即原煤经过气化或脱灰处理得到合成气或超净煤,采用纯氧燃烧,在燃烧室中逐级喷入循环水形成高温、高压、高水蒸气浓度和高氧浓度的燃烧环境。产生的高温高压的CO₂/H₂O混合工质（H₂O约占90%）推动多级先进透平做功,排气冷凝为水和高浓度的CO₂,实现CO₂低成本捕集。本文基于煤基燃料氧水蒸气燃烧的概念,研究了O₂/H₂O气氛下CO/H₂的层流火焰特性和详细化学反应机理,获得了不同当量比、H₂含量、预热温度、水蒸气含量和压力下的层流火焰速度和火焰结构的基础数据,揭示了不同条件对CO/H₂的燃烧过程和基元反应路径的影响规律,建立了适用于O₂/H₂O气氛下燃烧的详细基元反应机理。为高水蒸气浓度下煤基燃料的高效清洁燃烧提供理论指导,填补了高H₂O浓度下富氧燃烧基础数据的空白。本文首先分析了煤基燃料氧水蒸气燃烧零排放发电系统的原理并揭示了其主要优势,即考虑CO₂捕集的发电效率高于50%。研究了燃料化学能释放及转化过程,揭示了该系统中煤基燃料化学能到工质焓直接转化这一关键特性。研究和初步分析了合成气和超净煤的在O₂/H₂O条件下总体燃烧特性,验证了O₂/H₂O燃烧技术的可行性,并指出O₂/H₂O条件下CO/H₂的燃烧特性及反应机理是煤基燃料O₂/H₂O燃烧的关键科学问题。建立了加压火焰特性激光诊断实验台,实现了对层流火焰速度和火焰结构的OH-PLIF诊断;采用本生灯面积法计算了层流火焰速度,与OH*自发荧光法的差别小于2%,测量了CO/H₂/Air混气的层流火焰速度,和文献中的数据高度一致,验证了实验系统和测量方法的准确性。采用平焰燃烧器对OH-PLIF系统OH自由基浓度进行了定量标定,获得了定标火焰OH浓度和OH-PLIF系统下荧光强度的比例因子。对于CO/H₂在O₂/H₂O气氛下的燃烧,已有化学反应机理的计算结果分散性较大,这些机理主要基于空气气氛燃烧而建立,因此不能准确预测O₂/H₂O气氛下的火焰特性,O₂/H₂O气氛下的燃烧机理缺乏。本文采用敏感性分析获得了O₂/H₂O气氛下敏感性较大的基元反应,基于不同文献中最新报道的单个基元反应动力学的研究,特别是H₂O作为第三体的三体反应的动力学参数,建立了适用于O₂/H₂O气氛的燃烧反应机理,在不同当量比、H₂含量、预热温度、水蒸气含量和压力下和实验结果一致,验证了所建机理的准确性。已有CO/H₂/空气加湿燃烧的层流火焰传播速度数据,水蒸气含量较低,无法直接用于O₂/H₂O气氛下,O₂/H₂O气氛下CO/H₂层流火焰特性数据缺乏。本文采用加压火焰特性实验台研究了H₂O含量为47%时,不同H₂含量（0-50%）、当量比（0.6-2.0）和预热温度（400K-573K）下CO/H₂的层流火焰速度。采用OH-PLIF方法测量了本生灯火焰中的温度和OH浓度分布。随着当量比的增大,层流火焰速度先增大后降低,在当量比为1.3时具有峰值,并且峰值位置不随H₂含量的变化而变化;本生灯火焰中OH的浓度逐渐降低,火焰温度先升高后降低。随着H₂含量的增加,层流火焰速度先缓慢增加,后快速增加,呈现非线性增加的规律;本生灯火焰的高度逐渐降低,OH自由基的浓度逐渐增大（自0%H₂下0.160 mole/m3增大到50%H₂下的0.175 mole/m3）。低H₂含量下,H₂O的加入提高了反应O+H₂O=2OH的速率,进而促进了CO/H₂的燃烧;高H₂含量下,反应O+H₂O=2OH和反应O+H₂=H+OH互相竞争O自由基,对CO/H₂的燃烧具有抑制作用。随着预热温度的升高,层流火焰速度呈指数规律增大,火焰中OH、H、O自由基的峰值浓度逐渐增大。实验研究了不同H₂/CO比率下,水蒸气含量从0到60%变化时的层流火焰速度。低H₂含量时,随着水蒸气含量的增加,本生灯火焰温度从2900K逐渐降低到约2500K,火焰中OH的浓度先增大后减小,层流火焰速度先增大后下降;H₂含量大于15%时,随着水蒸气含量的增加,层流火焰速度逐渐下降。实验测量了5atm和10atm下,不同CO/H₂比率时的层流火焰速度（水蒸气含量为47%）。随着压力的升高,火焰中H、O和OH自由基的浓度降低,而HO₂自由基的浓度升高,层流火焰速度整体减小。