随着CO2排放的日益增多，全球气候变暖的问题已经引起了人们广泛的关注。富氧燃烧凭借着它高效的减排特点，成为了当今节能减排研究的热点，发展前景广阔，而富氧燃烧器的研发则是富氧燃烧技术走向工业化应用的核心问题。目前探索新型氧燃烧器的设计方法已成为各个研究院所和供应商的研究热点，预计在最近的两年内将出现多种可供商业应用的新型燃烧器。本文的研究对象为华中科技大学煤燃烧国家重点实验室研发的3MW_th富氧旋流燃烧器，以国内首套3MW_th全流程氧燃烧试验/示范系统为平台。本文的研究内容有两大部分构成：富氧燃烧器的设计和富氧燃烧火焰特性的数值模拟。提出了富氧燃烧器的设计方法，该燃烧器在空气燃烧工况下采用分级燃烧，在富氧燃烧工况下不采用分级燃烧。这样可以在很大程度上保证富氧工况和空气工况流场的相似性，能够促进富氧工况中心回流区的形成，保证燃烧的稳定。对空气工况、富氧干循环各工况、富氧湿循环各工况以及氧气直接喷射工况进行了数值模拟，研究得出：当富氧干循环的氧分压达到26.1%时，辐射换热和对流换热的分配和空气一致，而当富氧湿循环在氧分压达到30.4%时，辐射换热和对流换热的分配和空气一致；富氧燃烧的着火位置会随着一次风氧分压的升高而提前；富氧燃烧二次风速对中心回流区的形成有重要影响；氧气直接喷射会使着火发生滞后，回流区也被高速的氧气射流冲散，燃烧较为不充分。