高温贫氧燃烧技术是近年来在国际上备受关注的新型高效燃烧技术，研究和设计甲烷高温贫氧燃烧系统对于天然气的合理有效利用具有重要的意义。本文运用数值模拟软件FLUENT分别对甲烷贫氧燃烧系统中的两个重要设备——燃气燃烧炉和蓄热体进行了模拟计算，得到了两种设备内的流场信息以及操作参数和设备参数对于系统NO_X排放量和余热回收率的影响规律，并对高温贫氧燃烧系统进行了简单设计。1.采用平衡混合分数/PDF模型、k-ε模型、辐射传热的P-1模型以及NO_X生成模型对甲烷气体在燃气燃烧炉内的燃烧过程进行了模拟，从炉内的温度分布和NO_X浓度分布两方面出发，分别考察了空气预热温度、空气中氧的体积分数、空气过剩系数以及喷孔直径等因素对燃烧过程的影响，模拟结果表明：选择合适的、较高的空气预热温度可以使炉膛温度分布均匀，从而改善燃烧效果；在预热空气条件下，进气中的氧的体积分数低于12%时，NO_X的排放量会维持在一个比较低的水平；空气过剩系数α不宜过高，否则会使NO_X的排放量增加，其适宜的范围为1~1.3；燃气喷孔越小，燃气喷出速度越大，燃气与空气之间的湍流混合越剧烈，炉膛的温度分布更加均匀，从而减少了NO_X的排放量。最后将模拟结果同实验数据对比，二者吻合良好，证明了结果的可靠性。2.建立了计算陶瓷蜂窝蓄热体内气体流动与换热过程的模型，并应用该模型模拟了蓄热体的开工过程，同时将模拟得到的结果同文献报道的实验值进行了对比，二者基本吻合，证明了建立模型的合理性，根据模拟得到的结果，分析了蓄热体内流场的分布规律以及温度的变化规律，考察了换向阀切换时间、空气过剩系数、孔道截面形状以及不同横截面与外壁之间夹角等因素对蓄热体内气体流动与换热过程的影响，得出以下结论：换向阀的切换时间在设备承受的范围内短一些有助于系统热量的回收；当空气过剩系数α<1.3时，空气过剩系数α越小，系统的余热回收率越高；六边形孔道的蓄热体的余热回收率最高，正方形孔道的蓄热体次之，三角形孔道的蓄热体最低；蓄热体横截面与外壁之间的夹角越小，其换热性能越好，但压降却急剧增大，因此选择合适的角度需要综合考虑成本以及风机功耗等因素。3.根据设计任务，分别对甲烷高温贫氧燃烧系统中的燃烧器、蓄热室以及风机等设备进行了设计计算，建立了一个比较高效的高温贫氧燃烧系统。