面对严峻的碳减排形势,我国必须兼顾煤炭资源的清洁高效利用和可再生能源的开发,而煤与生物质混合燃烧正是化石燃料与可再生能源联合利用的重要方式。生物质具有碳中性的优点,但同时也有着密度低、热值低、碱金属含量高等特点。微观结构及化学组成的差异导致生物质的着火及燃烧特性与煤炭有很大区别,若要在现有的煤粉燃烧设备中直接利用生物质燃料,则需对煤与生物质的着火及燃烧特性有更加清晰的认识。此外,现有的针对煤与生物质混燃特性的研究多采用固定床反应器、沉降炉以及离线测量手段,实验工况较为简单,缺少复杂燃烧环境中煤与生物质混燃的在线测量数据。针对上述问题,本文搭建了基于Hencken型平面火焰燃烧器的携带流反应系统,提供了接近真实工业炉膛的实验环境,结合光学诊断技术,开展了多尺度、多工况的研究工作。首先,以煤及生物质单颗粒(粒径小于200μm)作为实验对象,搭建了具有光谱分辨、时间分辨的单颗粒燃烧光学测量系统,全面分析了煤及生物质单颗粒的挥发分、焦炭燃烧全周期过程,重点关注单颗粒的着火及挥发分燃烧特性。研究表明,燃料的着火延迟时间随挥发分含量的增加而线性下降。在多数工况中,生物质及褐煤单颗粒的着火模式为均相着火,而烟煤单颗粒则为异相着火,利用化学渗透脱挥发分(CPD)模型分析了燃料热解特性差异对着火模式的影响。针对富氧燃烧工况,研究发现CO_2气氛对颗粒的着火及燃烧有着显著的抑制效应。烟气温度及氧含量的增加能够降低单颗粒的着火延迟时间。对于生物质及褐煤单颗粒,颗粒粒径的减小会缩短着火延迟时间,但对于异相着火的准东煤单颗粒,在某些粒径范围内,粒径的减小反而会导致着火滞后。随后,将研究对象拓展至煤与生物质颗粒群的射流燃烧,采用OH自由基的平面激光诱导荧光(OH-PLIF)技术观测了燃料颗粒群射流燃烧的挥发分火焰结构,基于火焰图像分析,系统探究了雷诺数、温度、氧含量、生物质掺混比例等因素对颗粒群着火及燃烧稳定性的影响规律,为合理设计湍流条件下煤与生物质的混燃工况提供数据参考。研究表明,在湍流工况中,气流的卷吸作用和颗粒的弥散效应强化了燃料颗粒群与环境烟气间的热流及物质传递,射流着火延迟时间大幅缩短。环境温度及送风氧含量的升高也能提升颗粒群的着火特性,但是一旦超出某一阈值,其对着火特性的提升效果会变弱,控制颗粒群着火行为的主导因素发生改变。针对煤与生物质混合燃烧的研究发现,生物质挥发分含量高且脱挥发分、着火温度较低的特性确实会促进混合燃料的着火,但是在湍流工况中,若直接等质量地用生物质去替换煤粉,随着生物质掺混比例的增加,群燃火焰会显著变弱,这是因为生物质颗粒密度低、易向射流径向弥散的特点会导致射流刚性变差,不利于颗粒群团聚和群燃的发生,同时,生物质燃烧温度低,进一步导致混燃稳定性下降。在当前研究工况中,向煤粉中掺混20%生物质的整体燃烧效果最佳。进一步地,针对准东煤及生物质燃料中碱金属含量高的特点,联用单颗粒光学测量和热重分析等测试方法,结合萃取、负载碱金属等处理手段,研究了燃料燃烧过程中不同类型碱金属的析出及催化燃烧特性,进一步验证煤与生物质混合燃烧的协同作用。研究表明,对于均相着火的玉米秸秆、杨木等生物质颗粒,K、Na的释放有着明显的两个阶段,即:挥发分阶段和焦炭阶段,每个阶段对应着不同类型的碱金属释放;而对于异相着火的准东煤颗粒,整个燃烧过程中只存在一个Na释放峰。光学测量结果表明,碱金属对单颗粒挥发分气相火焰燃烧强度的影响较小,但能够显著提升焦炭的燃烧反应活性及燃烧强度,尤其对于生物质,含量较低的有机碱金属在焦炭燃烧阶段起着重要的催化作用。结合热重实验发现,在燃料热解过程中,碱金属起着调控热解产物种类的作用;在焦炭燃烧过程中,碱金属通过-CA(C代表焦炭、A代表碱金属)氧化-还原循环机制促进焦炭的燃烧,降低反应活化能,证明了在煤与生物质混燃过程中,生物质释放的K能够提升煤粉焦炭的着火及燃烧特性,促进混合燃料的燃尽。此外,实际燃烧设备常以预热后的空气作为氧化剂,本文针对气体预热会对燃烧过程中碳烟生成量产生显著影响的问题,建立了一系列边界条件清晰的气体预热型(293K～723K)碳烟火焰,采用激光诱导白炽光(LII)技术及双色法测量了火焰中的碳烟体积浓度及温度分布,探究了气体预热及氮气添加对碳烟生成的影响机制,丰富了碳烟火焰数据库。研究表明,随着燃料及伴流空气预热温度的升高,火焰整体温度上升,碳烟前驱物的生成加速,碳烟演化速率加快,碳烟生成总量增加。在碳烟生成秉性较弱的火焰中(如甲烷火焰),这种强化作用更为显著,当气体预热温度从室温升至673K时,甲烷火焰的轴向碳烟生成速率增长了近4倍。极高碳烟生成量所带来的不完全燃烧热损失和碳烟辐射热损失导致丙烷及乙烯火焰中心区域的碳烟温度出现随气体预热温度升高而降低的反常现象。添加N_2能够显著抑制碳烟生成,其主要原因是N_2的稀释作用和热作用,只有在向碳烟生成量极高的火焰中添加N_2时,前者才会占主导地位。