煤粉颗粒燃烧过程是涉及一系列复杂非均相反应的物理化学过程。尽管历经近百年的研究,仍存在诸多亟待揭示的问题来应对效率进一步提高的挑战;同时,SOx、NOx和颗粒物等污染物在形成过程中的动态变化也为揭示燃烧过程增加了挑战。本文以Hencken多元扩散平焰燃烧器为平台,发展了若干适用于煤粉燃烧过程的光学诊断方法,如采用CH*基团多滤光片技术和可见光分析方法在线研究了煤粉颗粒的脱挥发分特性和着火特性;采用低强度相选择性激光诱导击穿光谱技术(PS-LIBS)和RGB三色测温方法研究了碱金属在煤粉燃烧过程中的动态析出特性及煤粉颗粒燃烧过程中的表面温度变化规律。最后,结合瞬态着火模型和碳燃尽动力学模型(CBK)分别研究了煤粉颗粒的动态着火和燃尽过程。本文开发了基于多滤光片的CH*检测技术,获得了煤粉燃烧过程中CH*的释放规律,并表征了挥发分释放和反应过程,该方法可有效消除黑体辐射的影响。进而在脱挥发分过程的时间尺度分析基础上,采用可见光信号分析方法系统地研究了高加热速率下煤粉颗粒的着火特性。研究发现,随着环境温度升高,煤粉颗粒的着火机制会经历由非均相向非均相—均相的转变,进一步探讨了煤种、氧气及富氧条件对着火特性的影响规律,发展了瞬态着火模型合理地解释了实验结果。在充分掌握煤粉颗粒燃烧初期的脱挥发分及着火过程后,本文进一步发展了低强度相选择性激光诱导击穿光谱技术(PS-LIBS),应用于研究Na元素在煤粉颗粒燃烧初期的析出行为。利用气相击穿极限高于颗粒相从而选择性地击穿颗粒相的特点,首次成功地在线发现了Na元素在煤粉颗粒加热过程中从固相到气相的转变,并充分研究了温度、氧气浓度对Na元素析出的影响。结合离线采样实验发现,脱挥发分时间、Na元素析出时间及细颗粒物的增长时间具有很强的关联性。前期挥发分的析出和颗粒着火过程是影响煤粉颗粒燃烧特性和细颗粒物生成特性的关键因素,而在煤粉颗粒燃烧后期,影响煤焦颗粒燃尽特性和颗粒物生成的主要因素为温度。本论文利用RGB三色测温方法和CBK理论模型研究了煤焦颗粒在燃烧过程中的温度变化,并开展煤焦颗粒表面辐射率测量,以修正RGB三色测温方法。本文准确地探测到了不同环境中煤焦颗粒的反应温度,并分别研究了氧气浓度及富氧条件等对煤焦燃烧温度的影响,同时发展CBK模型研究了不同温度下煤焦结构物性参数在煤焦燃尽过程中的变化规律。