天然气在工业以及民用领域有着广泛的应用,其燃烧产生的NOx对人体和环境造成不可逆转的危害。随着“煤改气”、“能耗双控”及“双碳”等一系列政策出台,中、小型工业及民用燃气装置正在面临新的污染物排放要求。本文通过对工业及民用天然气热力设备的现状分析,基于天然气低氮燃烧技术开发一种天然气低氮燃烧器;为探究其燃烧及排放特性,利用PLC（可编程逻辑控制器）技术和C++编程语言,搭建了天然气低氮燃烧试验平台,验证了装置的适用性。根据设计的燃烧器结构,开展了数值模拟研究。通过研究不同旋流角度和叶片数对燃烧特性的影响,确定燃烧器的结构参数,探究其燃烧特性及NOx排放特性。通过导入简化的甲烷燃烧反应机理,进一步优化天然气低氮燃烧器结构,分析了水蒸气对NOx生成的影响。模拟研究表明,40°旋流角度和8旋流叶片数为燃烧器最佳的结构参数。设计的“花洒”式多点扩散喷孔与合适的旋流角度和旋流叶片数相配合促进天然气向四周扩散,形成环状空间区域火焰,产生640 mm的稳定火焰形状。燃烧室出口的NOx平均浓度达到64.60 ppm,优化后出口NOx平均浓度为21.73 ppm;燃烧器氧化剂侧添加少量水蒸气有效抑制NOx的生成。基于低氮燃烧试验平台开展了天然气低氮燃烧热态试验研究,从火焰结构特征、温度分布以及NOx排放等方面对新型天然气低氮燃烧器的试验结果进行了分析。试验结果发现,“花洒”式多点扩散喷孔结构与旋流叶片的协同作用下,能够获得稳定的旋转状外包围火焰,存在常规的火焰振荡现象。试验结果与模拟过程的温度变化趋势一致,试验结果燃烧室出口平均NOx浓度为32.43 ppm,比模拟结果减少了17.69%。