煤层气是一种储量丰富的非常规天然气资源，目前对于煤层气的工业应用主要集中于热值较高、可直接利用的部分。但在我国的煤层气资源构成中低热值煤层气所占比例较大，而对这部分煤层气作为辅助燃料的研究应用较少。由于低热值煤层气中甲烷体积浓度低，在对其他化石燃料进行辅助燃烧时存在着诸如火焰较长，燃烧稳定性较差等现象，有必要对低热值煤层气燃烧器进行优化设计，研究其在燃用低热值燃气时的燃烧特性。首先，设计了额定负荷为150kW的部分预混式低热值煤层气旋流燃烧器，并研究了钝体对燃烧器流动特性的影响规律。结果表明：在燃气管外壁上加装钝体可以提高燃烧器的部分预混效果；在支撑管出口加装钝体可以提高燃烧器出口气流的射流刚性，以及回流区卷吸高温烟气的能力和范围。随后对优化加工的燃烧器进行了流动特性实验测试：燃烧器的各部件中旋流管流动阻力最大，燃气管次之，而直流管最小；在过量空气系数低于1.2时直流管的压损随过量空气系数增大而减小；旋流管出口的平均旋流强度随入口流量增大而显著提升，但在燃烧器满负荷运行时旋流强度仅随过量空气系数增大而小幅度波动；沿轴向和径向的轴向速度分布受过量空气系数的影响较小；随着直旋配风比的增大，沿轴向的逆轴向速度梯度范围逐渐减小；在垂直于轴向的各个横截面内，距离燃烧器出口小于100mm时均存在着沿径向的逆轴向速度梯度，而在距离200mm的横截面内逆轴向速度梯度消失；随着轴向距离的增加，各个横截面内沿径向的逆轴向速度梯度范围变窄，回流区宽度变短。然后，采用数值模拟的方法研究了燃烧器燃烧时的温度场分布、燃烧效率及NOx的排放特性。结果表明：燃烧器出口的温度随着出口钝体圆锥角的增大而提高，圆锥角应以30.96°为宜；燃烧器出口加装钝体之后能够明显减少火焰的偏斜程度，改善炉膛内部温度分布不均的情况，提高火焰的射流刚性和燃烧效率；当低热值煤层气中甲烷体积浓度在20~25%范围内变化时，优化后的燃烧器可以正常工作，不会发生燃烧器喷口烧坏的情况；而在燃气管上加装钝体，有利于减少炉膛尾气中NOx的排放；在燃烧器出口加装钝体会使得NOx的浓度升高。通过数值模拟及实验研究得到的新型低热值煤层气燃烧器，可以在燃用20%甲烷体积浓度的煤层气时获得更好的燃烧稳定性；同时保证在进行煤层气/煤矸石循环流化床混烧时具有良好的射流刚性，以更好的辅助燃烧。