天然气作为一种清洁能源长期备受瞩目,天然气的主要成分为碳氢化合物以及少量氮、硫化合物,相比于煤、石油等资源,能有效减少污染物的排放,因此被广泛应用在火力发电以及其他动力机械应用中。随着“十二五”计划的结束,“十三五”对污染物的排放要求更加严格,天然气的氮氧化物排放量也不容忽视。烟气再循环技术（Flue Gas Recirculation,下文简称FGR）是目前比较成熟的低氮燃烧技术,烟气的主要成分为二氧化碳,这种技术不仅广泛应用在煤燃烧技术上,同时应用于很多沼气和垃圾填埋气等燃烧技术中,其中,沼气和垃圾填埋气主要成分为甲烷和二氧化碳。另一方面,随着油气田的开采后期,天然气中二氧化碳的含量逐渐提高,二氧化碳含量增加对天然气的热值、天然气燃烧火焰结构变化及化学反应动力学机理有巨大影响,因此研究二氧化碳对天然气燃烧过程中所产生的影响有重要意义。本文根据实际应用情况,设计层流同轴扩散燃烧器,结合平面激光诱导荧光（Planar LaserInduce Fluorescence,PLIF）激光燃烧诊断技术,搭建了符合光学测量的标准试验台。利用羟基PLIF（OH-PLIF）和碳氢基PLIF（CH-PLIF）燃烧诊断技术对不同CO₂稀释浓度比的天然气火焰燃烧特性进行了测量,测量结果可知,在当量比为1,甲烷质量流量不变的情况下,随着CO₂稀释浓度比逐渐增大,火焰逐渐增高,OH基分布逐渐远离喷口,被测区域中OH基总荧光强度有所提高。CH基则随着CO₂稀释浓度比的增加而逐渐减少,当CO₂含量超过20%时,CH基本只分布在火焰锋面处,荧光强度逐渐减少。本文利用层流有限速率模型对层流扩散火焰进行了数值模拟计算,来验证层流扩散火焰测量结果定性分布的准确性,同时考察CO₂对天然气燃烧污染物排放特性的影响。为提高计算效率,满足现有的计算设备条件,本文利用敏感性分析和直接关系法对甲烷的详细化学反应机理（GRI-Mech 3.0）进行了简化,得到GRI-Mech 3.0机理的简化模型,并验证此模型的可行性。利用简化模型结合数值计算软件对层流扩散火焰的燃烧特性进行计算,计算结果发现OH基的浓度随着CO₂不断地加入逐渐增加,但是变化不是十分明显,而CH基的浓度随着CO₂的增加逐渐减少,经对比发现,OH基和CH基的分布计算结果与实验结果相吻合。另外,随CO₂稀释浓度比不断增加,NO的排放量逐渐降低,说明CO₂对NO的形成有一定的抑制作用。本文利用双向LIF法对CH4/Air预混平面火焰进行了定量测量,测量结果表明,随着当量比的增加,火焰的宽度逐渐加宽,当量比不大于1时,得到的单向OH基荧光强度基本可近似认为线性递减,而当量比大于1时,单向OH基荧光强度迅速骤减。随着当量比的增加,OH基的浓度先增加后减少,在当量比为1时达到峰值。通过对比文献的结果发现,利用双向LIF技术对OH基绝对浓度的测量是可行了。为今后发展二维测量技术奠定基础。基于烟气再循环技术,本文将CO₂和H₂O这两种烟气中的主要成分加入到空气中,利用层流有限速率模型结合简化机理,研究了这两种稀释剂对火焰特性的影响。计算结果表明,CO₂和H₂O对抑制NO的生成都有一定的作用,但是H₂O的效果更好,这是因为H₂O具有较大比热容,通过计算还发现H₂O促进了 NO转化,改变了 N的转化路径。在实际工程应用中,多数采用湍流扩散火焰,本文设计了多喷嘴湍流扩散火焰燃烧实验系统,并搭建了符合光学试验标准试验台,在不同工况下,利用PLIF技术对不同工况下的火焰进行了测量,用热电偶对火焰的温度进行测量,同时利用烟气分析仪对尾部烟气进行测量。实验结果表明,OH基浓度随着当量比的增大而增多;随着CO₂稀释浓度比的增加,OH基的浓度在火焰中存在一定程度的波动,NO和CO浓度先增加后降低。因此适量CO₂加入在一定程度上会抑制NO生成。同时建立了湍流计算模型,对湍流火焰进行计算,计算结果与实验结果吻合较好。