燃燒設備的起碼要求是要保持著火的穩定，即使短時間嚴峻條件的出現亦不至於熄滅，且不希望燃燒時火焰脈動。著火后按要求發生劇烈的燃燒化學反應，直至燃燼和適度冷卻后離開燃燒室，還要防止結渣。
1 多相氣流的火焰穩定
煤粉著火的傳統觀點是：一次風中的煤粉著火靠卷吸迴流和爐氣來加熱，其首位影響因素是一次風量；煤粉著火以後二次風應及時加入，最好分批摻混，其首位考慮因素是煤的揮發份；燃燒器區域如保持高溫，有利於著火穩定。為此應保證合適的爐膛截面熱強度，此外二次風如延誤加入不僅喪失時機，也易影響燃燒器區域溫度水平。
沃朗斯基對層流煤粉氣流繞流V型鈍體的火焰穩定問題作了實驗研究，還進行了二維煤粉氣流燃燒過程的數值計算。研究者注意了兩相流中煤粉顆粒的運動慣性比氣體大，因而在層流中取用不同的擴散係數作濃度分佈的近似計算，因此，即使在小Re數氣固兩相中顆粒和氣體也是有相對滑移的。由此可計算出煤粉氣流在鈍體后的溫度分佈以及煤粉揮發物和氧的濃度分佈，從而分析了不同參數(來流速度、溫度、煤粉濃度、氧濃度和鈍體尺寸)下煤粉火焰的滅火臨界條件。計算得到的層流煤粉的滅火條件是和實驗結果接近的。但是，沃朗斯基未考慮流線彎曲時煤粉顆粒的離心作用，而且還只是分析了小雷諾數(Re=700～2 100)下的層流煤粉火焰的穩定問題。
對我國工程實用的旋流式煤粉預燃室的計算和實驗(粒徑20～100 μm，一次風旋流數S=0.28)表明，煤粉噴出旋流葉片后不遠處就有很多顆粒集中在約900 ℃的高溫區域，此處煤粉的局部質量濃度為1～3，而原來一次風中的煤粉濃度為0.3～0.5。實驗測得，此局部區域中的氧濃度也較高(10%)。這個「三高區」高煤粉濃度、高溫和較高氧濃度的區域)就是保持煤粉火焰穩定的煤粉著火有利區。
在迴流區邊緣的這個局部區域中煤粉能有較高的濃度，是因為一次風旋流強度較小，煤粉比氣體有較大的軸向運動慣性，和煤粉一起噴出的氣體有相對的滑移和分離，氣體較多地貼著圓錐形壁面流動，煤粉則在迴流區的邊界集中，就形成了「三高區」，船形體火焰穩定器較好地體現了「三高區」穩燃原理。煤粉顆粒在此局部區域中被迅速加熱、升溫，很快析出揮發物並著火燃燒，因而成為穩定的煤粉著火有利區。合理設計的預燃室煤粉顆粒經過此區域著火后，由於根部二次風和出口二次風的及時送入，著火的煤粉就分散到含氧充分的主氣流中去，有利於煤粉的迅速燃燼和繼續升溫。當旋流式煤粉預燃室中一次風旋流強度過大時(旋流數S＞0.6)，煤粉顆粒由於離心作用而會被迅速甩向筒壁，顆粒較長時間處於靠近壁面的溫度不高的主氣流中，未能形成「三高區」，煤粉不易著火，火焰不易穩定。
「三高區」的穩燃原理在解釋和穩定煤粉燃燒方面已取得了較好的成功和應用事例。但在其著火過程的燃燒學分析方面還希望做進一步的工作。
2 有限空間內穩焰
如果把前述各種措施配上預燃室或其雛型——穩燃腔，那麼穩燃性能還可以加強。預燃室結構可以減少著火區的輻射散熱，這對升爐點火十分有利，也可以更準確地控制預燃室內的空氣供應。
3 煤粉火焰穩定燃燒技術
火焰穩定技術在我國的發展是很快的，尤其是各種煤粉燃燒器及其穩燃技術研究成果很多。雖然目前有各種各樣的煤粉燃燒器存在，但就其機理而言，可分為旋流式燃燒器和直流式燃燒器2大類。
旋轉射流和直流射流的流動特性有明顯的差別：(1)旋轉射流不但有軸向速度、徑向速度，而且還有切向速度。其顯著特點是產生了迴流區，在迴流區中，軸向速度是反向的，旋轉強度愈大，迴流區尺寸也隨之增大。(2)切向速度衰減很快，軸向速度衰減較慢，但比直流射流衰減快得多，因此在同樣的初始動量下，旋轉射流射程短。(3)旋轉射流的擴展角比直流射流大，旋轉強度加大，擴展角隨之擴大。旋轉射流中的一二次風混合很強烈，但難以控制，一般失之過早。
3.1 旋流式燃燒器
旋流式燃燒器分別為：
(1)雙蝸殼煤粉燃燒器。
(2)單蝸殼—擴錐型煤粉燃燒器。
(3)切向葉片式旋流煤粉燃燒器。
(4)一次風替換型(PAX)旋流燃燒器。這種燃燒器宜於燃燒低揮發份煤種，因為用熱風替換乏氣作為一次風以後即使是在直吹式制粉系統中也能用上熱風送粉。
(5)軸向葉片式旋流煤粉燃燒器。除了用軸向葉片使二次風旋轉以外，一次風可不旋轉，也有的在出口處裝有擴錐；有些改型設計的旋流式煤粉燃燒器還具有能燃燒劣質煤和低負荷穩燃的功能。這種新型燃燒器的結構具有2個顯著的特點：一是在一次風通道的外壁內側上布置了來複線型的凸條，可起到彌散煤粉的作用；二是將二次風的旋流蝸殼改成大風箱結構，可改善二次風分配和保持阻力不過大。工業試驗及應用表明，這種旋流燃燒器解決了在低負荷或煤質較差工況時燃燒不穩的問題，使鍋爐具備了在50%負荷下斷油調峰的能力。
(6)IHI-WR旋流煤粉燃燒器。這種日本石川島播磨重工業株式會社(IHI)生產的燃燒器，在入口處採用一台卧式旋風分離器，可使煤粉濃縮，由低負荷噴口噴出。低負荷時該分離器單獨運行，高負荷時該分離器還被旁路一部分一次風。由於從低負荷噴口出來的始終是濃煤粉空氣混合物，因此它在任何負荷下均有利於著火的穩定。試驗結果表明，這種燃燒器能夠在其負荷的10%～15%的最低出力下運行。
(7)PW型旋流燃燒器。普華煤燃燒技術開發中心的PW型旋流燃燒器的二次風分3級，每級用3根噴槍噴入，著火穩定性很好；一二次風摻混合理且調節靈活系其關鍵。
3.2 直流式燃燒器
大部分直流煤粉燃燒器布置在煤粉爐爐膛的四角或其附近，氣流射向爐膛中的假想切圓，在爐膛中合起來形成火焰圈，向上彙集成略有旋轉的上升火焰。這種煤粉燃燒器的氣流和火炬之間的相互影響的作用很重要。
直流式燃燒器分別為：
(1)普通型直流煤粉燃燒器(含均等配風和分級配風)。
(2)擺動式直流煤粉燃燒器。
(3)多功能船形體燃燒器。這種燃燒器利用船體型火焰穩定器，使煤粉氣流在噴口射出后不遠處，形成一束腰射流。在束腰部的兩側外緣形成高溫、高氧和高煤粉濃度的「三高區」，成為引燃煤粉氣流的良好著火源，從而達到穩定爐內燃燒的目的。可在低負荷下不投油和啟動時節省點火用油，能較好地適應實用煤種的較大幅度的變化，還有抑制燃燒過程中生成NOx等功能。
(4)穩燃腔燃燒器。試驗表明(試驗用煤為煙煤、貧煤和劣質煤)，煤粉在穩燃腔一出口就著火燃燒，火焰穩定，能在40%～60%的鍋爐額定負荷下脫油穩定運行。
(5)帶有乏氣分離器的褐煤直流燃燒器。褐煤的特點是揮發份高、灰分大、灰熔點低，有些年輕褐煤的水分特別高。在燃年輕褐煤時，在直吹式制粉系統中必須抽取高溫爐煙作為乾燥劑。由於大量惰性成分和水蒸汽的存在使燃燒器出口的煤粉氣流不易著火，德國、波蘭等國的方案是將從磨煤機來的煤粉空氣混合物經過燃燒器入口處的旋流乏氣分離器后，濃煤粉空氣混合物由下部兩層噴口噴入爐膛，含粉較少的乏氣則在著火區上方的乏氣噴口噴入，從而提高了著火的穩定性。經驗表明，這種系統不適宜於水分和灰分含量之和小於60%～65%的褐煤，因為這時在燃燒器區域的爐膛內會使火焰溫度過高而引起結渣。
(6)寬調節比(WR)直流燃燒器。美國CE公司生產的這種擺動式直流燃燒器，在可擺動的一次風噴口內裝設水平放置的三角形擴錐。擴錐促進卷吸混合，有利於提高煤粉氣流的著火性能，使鍋爐在低負荷下也能有較好的燃燒穩定性。使用這種燃燒器時鍋爐能達到較大的負荷調節比，因此又稱之為寬調節比噴口。由於這種煤粉燃燒器的一次風管和噴口相連的彎頭中，煤粉向外側分離，造成煤粉濃度不均勻，利用中間隔板使這種濃度差異一直保持到噴口，從而達到提高煤粉濃度、進行鉛直方向濃淡燃燒的目的。這也有利於整個噴口的煤粉氣流容易著火和在低負荷下保持燃燒穩定。這種結構和噴口處帶有不大的翻邊擴錐出口共同使用，可以在低負荷(對於貧煤40%～60%，對於煙煤30%)不用油助燃保持穩定燃燒。
(7)U形或W形火焰直流煤粉燃燒器。U形或W形火焰宜於用來燃燒難著火的煤種，因為一二次風混合可靈活明確地加以控制。還可以組織高濃度煤粉著火。當燃用揮發份低於4%的無煙煤粉時，只需占鍋爐總熱量7%的油助燃即可保持穩定燃燒。
(8)鈍體燃燒器。其主要原理是加強卷吸，後繼研究發現，由於煤粒的慣性而產生局部煤粉富集。良好設計的鈍體燃燒器可實現低負荷(50%～60%)穩燃和適應煤種變化的要求，還可燃用劣質煤。
(9)複雜射流燃燒器。利用另外的高速射流可產生迴流區，並卷吸高溫煙氣加熱主氣流並使之著火。這類燃燒器使用的射流形式主要有同向射流和逆向射流2種，其中同向射流燃燒器有：a.扁平射流(風鏟式)燃燒器；b.大速差同向射流燃燒器；c.大速差射流型雙一次風通道通用煤粉主燃燒器；d.不對稱射流(偏置射流)燃燒器。逆向射流燃燒器有：a.單股反吹射流燃燒器；b.多環形逆向(多股)射流燃燒器；c.逆向複式射流燃燒器。
(10)夾心風式直流燃燒器。在一次風噴口中間噴出一股速度較高的由二次風分出的夾心風，其著火則是靠窄長一次風口強烈卷吸爐氣來保證的。可防止一次風氣流的偏轉貼壁，在煤粉著火后又可及時補充一些空氣。
(11)犁形燃燒器。相當於把船形體切成兩半，然後首尾相鄰地倒裝，也能產生「三高區」。
(12)PM燃燒器。PM燃燒器的技術關鍵是濃淡燃燒。實際運行中發現，這種燃燒器除了能夠大幅度降低NOx生成量之外，還具有很好的低負荷穩燃性能。
(13)變異濃度煤粉燃燒器。為了彌補由於一次風管道彎頭的分離作用而使得夾心風切向燃燒器中相對兩角的向火側的煤粉濃度降低的缺陷，在該兩角一次風管道彎頭后加上變異管和隔板，使煤粉濃度高者由背火轉為向火(另兩角一次風管道內只加隔板)，這樣四個角均為濃煤粉氣流向火，淡煤粉氣流背火，從而取得了明顯的穩燃效果。
(14)水平濃縮煤粉燃燒裝置。用百葉窗煤粉濃縮器，把一次風煤粉氣流分成高濃度煤粉氣流，在向火側的濃噴口噴入爐膛以及另一股淡煤粉氣流，在背火側的淡噴口噴入爐膛。兩股氣流在同一水平面上，形成水平濃淡燃燒。
試驗結果表明，水平濃縮煤粉燃燒器與普通燃燒器相比可以縮短煤粉氣流的著火時間，提高燃燒區域溫度和煤粉的燃燼率。在燃用貧煤的鍋爐上的運行表明，水平濃縮燃燒器的無油助燃穩定運行負荷範圍大，對爐膛條件要求低，且易於與現有燃燒設備對接。
(15)煤粉濃淡分流及分路燃燒裝置。該技術把垂直濃淡燃燒與預燃室結合起來。該技術用於燃用福建低揮發份無煙煤已取得了較好的效果。
(16)一次風更替(PAX)技術，切向燃燒爐如配直吹式制粉也可用PAX技術以達到熱風送粉的目的。
4 煤粉火焰穩燃技術的發展前景
近幾年來，我國電力工業持續發展，每年投產的新機組已連續幾年保持10 GW以上，大容量火電機組日益增多。隨著發電機組日益向大容量、大機組發展，以及環境保護的要求和意識的增強，電力工業對煤粉燃燒提出了越來越高的要求，概括起來主要有：燃燒的高效率、燃燒的穩定性、低污染以及良好的煤種適應性和快速負荷變化適應性。其中快速負荷變化適應性是工農業生產的季節性等因素，對電力生產提出的要求，這種變化程度可用「電網負荷峰谷比」表示。西方國家的峰谷比一般都較大(美國為1∶0.25～0.30，德國為1∶0.20～0.50)，我國一般為1∶0.70左右。電網調峰的方法是多種多樣的，有專用的調峰機組，也有採用頻繁的起停方式，更多的又是更方便經濟的調峰方式是維持原有機組在低負荷下運行，其中的關鍵技術是鍋爐低負荷燃燒的強化和火焰穩定性。
但是，能夠同時滿足上述要求的燃燒技術目前尚不多見，現有技術大多從某個方面，如穩燃(包括低負荷穩燃及劣質煤穩燃)、低污染等方面入手來解決燃燒問題。國內技術多從穩燃方面著手，而國外技術則以低污染為主。
煤燃燒過程是一個非常複雜的湍動流動過程和複雜化學反應過程，貫穿於燃燒器至爐膛(燃燒室)出口的全過程。就穩定燃燒技術而言，除了對燃燒器部分的行為理應進行深入研究之外，顯然對爐膛(燃燒室)內部所發生的所有行為也應預以足夠的重視，且應優先研究其流動行為(湍動過程)。否則可引起熱偏差，嚴重時可引起過熱器和再熱器的局部超溫爆管。迄今為止，著眼於燃燒器內外行為以穩定火焰和組織爐內良好燃燒的技術與理論已取得了很多突破和進展，有的已取得良好效果，如燃用劣質煤、減少飛灰含碳量、低污染、防結渣、煤種的適應性(互換性)、減少點火用油和滿足調峰要求等。但仍然存在一些問題，雖然採取了一些指施，效果仍不理想。這些問題的解決，除了有待於燃燒理論和穩燃技術的突破外，與對爐膛(燃燒室)內空間進行的複雜行為的研究不夠也有較大關係。
當然，就目前理論和技術狀況而言，深入研究爐內行為還有很多困難，特別是燃燒、流動和化學反應的機理研究更是這樣。儘管如此，爐內畢竟是煤燃燒和反應過程進行的主要場所，對爐內行為如研究得不全面徹底，現行的諸多問題的突破是難以實現的。期待和相信在不久的將來，將會取得許多理論和技術上的重要突破。
5 結論
對燃燒設備進行改進的目的在於：(1)促進著火即提高穩定性，有利於解決低揮發份和劣質煤的燃用困難；(2)加大不投油助燃的負荷調節範圍；(3)降低NOx生成，採用以下措施：提高煤粉濃度或採用濃淡燃燒；在燃燒室出口處組成「三高區」；明確而靈活的配風；熱風送粉或一次風更替；使用預燃室結構。
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