细颗粒物是燃煤排放的重要污染物之一,而煤粉燃烧的初期阶段在细颗粒物形成中起着关键作用。易气化矿物质的迁移和重质挥发分的二次反应在时间尺度上重合,使得该初期阶段细颗粒物的生成受到矿物质和碳质组分的共同影响。在该多组分系统的动态过程中存在许多有待阐明的科学问题。本文通过火焰中细颗粒定量采样分析和群平衡蒙特卡洛模拟研究了煤粉燃烧初期细颗粒物的形成和演化,重点关注了矿物质气化凝结过程的控制机制以及Na和碳烟的相互作用,揭示了组分间相互作用对细颗粒物生成的影响机制。首先,搭建了平焰反应器和细颗粒采样系统,研究了煤粉燃烧初期矿物质的气化凝结过程和细颗粒物的元素富集规律。在较低的气相温度下,气化释放是矿物质细颗粒生成的控制步,气相温度上升导致超细颗粒生成量增加。当气相温度高于1500 K时,气相-颗粒相转化成为矿物质细颗粒物生成的控制步,气相温度上升反而使超细颗粒生成量下降。Na、Mg和S元素在0.01~0.3μm颗粒物中的富集规律符合均相成核控制机制,在0.3~2μm颗粒物中的富集规律符合表面反应控制机制。然后,结合Na元素定向植入与细颗粒采样分析,研究了Na与碳烟相互作用对细颗粒生成的影响。气化的Na元素与重质挥发分在火焰中反应生成掺杂Na的碳烟,掺杂颗粒的生成量随煤中Na含量增加而先下降后上升。高分辨透射电镜和拉曼光谱分析表明掺杂Na使碳烟的纳观结构趋于无序化。Na对碳烟氧化具有显著催化作用,在Na含量2.3%时催化作用达到饱和,使碳烟氧化活化能降低25%。Na与碳烟的相互作用可以降低初期阶段的超细颗粒生成量,催化碳烟氧化和抑制成核模态矿物质细颗粒是其主要的影响途径。最后,针对煤粉燃烧初期矿物质组分和碳质组分的相互作用,结合计算域离散和两步随机过程建立了多组分颗粒物的组合蒙特卡洛模拟方法。考虑Na迁移、脱挥发分、颗粒成核、碰撞聚并、催化氧化等动力学过程,开展了燃烧初期细颗粒物的数值模拟,获得了Na与碳烟相互作用下的细颗粒物生成和演化过程,明确了煤种特性和反应条件对初期阶段细颗粒物生成量的影响规律。模拟结果表明碰撞对象之间的相对尺度是决定颗粒粒径-组分分布模态演变的关键因素,并进一步揭示了煤粉燃烧初期Na与碳烟的相互作用机制。