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在化石燃料能源的应用领域中,自1980年以来,中国一次能源消费结构中,煤燃料一直占据着69%78%的份额,虽然其百分比近年略有下降,然而其消耗量却从2000年的14亿吨增长到2014年的38.7亿吨。伴随着煤消耗量的绝对增长,是日益严格要求的污染物控制需求。近年来,“洁净煤技术”、“清洁能源”、“近零排放”等概念的提出,均表明煤燃料低污染物、低排放技术依然是迫切需要研究的热点,本论文旨在通过研究氧分级燃烧工况下煤粉的燃烧特性和NOx释放机理来有效地控制煤燃料炉内燃烧过程中污染物的生成。氧分级燃烧包括:空气分级、增氧分级、氧-燃料分级燃烧。在不同的应用中,燃料的助燃气体不再是纯粹的空气,因此本论文从分级燃烧的本质（即分阶段供氧）出发,采用了“氧分级燃烧”的概念,用以准确描述化石燃料在空气燃烧、增氧燃烧及氧燃料燃烧领域中所采用的助燃气体分级燃烧技术。本论文先后在两套实验设备（固定反应床、20 kW下行燃烧试验炉）上展开了一系列煤粉燃烧实验,循序渐进地研究了不同燃烧工况下煤粉的燃烧特性（着火特性、燃烧持续时间、燃烧速率等）及污染物（NO）的释放机理。在固定反应床实验台上,从燃烧气氛、氧气浓度、燃烧温度、颗粒粒径四个方面对煤粉燃烧进行了研究。基于实验数据,分析总结出了在各种燃烧工况下煤粉燃烧过程中着火时间、燃烧持续时间、燃料型NO生成释放过程、氧气浓度的影响等一系列的规律,并建立了描述煤粉燃烧过程中燃料型NO释放过程的累积百分比模型（CPM）。CPM模型这一重要成果使煤粉燃烧过程的NO释放机理能够被定量的研究分析。进一步地,在20 kW下行燃烧试验炉上开展了煤粉的氧分级燃烧实验,重点研究了燃烧器空燃比、燃尽风位置、氧气浓度对煤粉燃烧特性和NO释放机理的影响。通过测量炉膛沿行程程方向主要物理化学参数（烟气温度、O2、CO、NO等）的浓度分布,研究总结了与焦炭气化反应的增强和NO生成规律有关的相关规律。同时,结合CFD软件,将实验结果所呈现的规律提炼融合到煤粉燃烧的诸多模型中（如挥发分模型、颗粒表面反应模型、改进的焦炭气化模型、NO生成及还原模型等）,成功模拟了20 kW下行炉在空气分级、增氧分级、氧-燃料分级工况下的煤粉燃烧过程,为煤粉燃烧的数值模拟研究工作提供了重要的解决方案。基于20 kW下行炉氧分级燃烧工况下的煤粉燃烧试验结果与数值模拟结果的对比,论文指出了现有NO释放机理存在的问题:1,还原区NO浓度偏差;2,峰值CO浓度下NO浓度预测失效现象。针对这两个问题,提出了NO释放机理的改善机制,并通过改进后的MFR数值模拟模型验证了焦炭气化反应在CO浓度预测方面的必要性和焦炭氮异相转化机制对NO浓度分布特征捕获的重要作用。基于20 kW下行炉的研究成果,进一步采用改进的煤粉燃烧化学反应体系（含原NO污染物模型）和改进的MFR模型分别预测了50 kW下行燃烧试验炉的运行结果。通过前者定量预测了炉内沿程CO和最终NO排放浓度,预测结果可信度较高;通过后者定性探讨了改进的MFR模型的适应性,捕获了NO污染物分布特征。