近几年各地陆续出现重雾霾污染天气,且随着煤改气的进行,燃气锅炉的使用量急剧上升,而氮氧化物(NOx)作为主要的污染源之一,其排放标准也越来越严格,如何降低燃气锅炉尾气中的NOx含量,成为缓解雾霾污染的重要手段之一。因此,如何使得锅炉满足最新的NOx排放标准,甚至达到更低的排放具有重要意义。柔和燃烧作为新的燃烧技术,具有火焰稳定、燃烧温度场分布均匀和低NOx排放等潜力,本文在柔和燃烧的基础上结合燃料轴向分级和空气加温加湿的方式,通过数值模拟和实验相结合的方法研究天然气锅炉的高效低NOx柔和燃烧。首先通过软件模拟研究燃料轴向分级的燃烧和排放特性。结果表明,在给定条件下通过燃料轴向分级可以降低一次主燃烧区域的当量比,降低峰值火焰温度同时提高下游火焰温度,使得炉膛温度场更均匀,有效地抑制热力型NOx的生成。改变不同的燃料轴向分级配比发现,当二级轴向燃料占比在0-25%时,通过调节烟气回流比例依然可以实现柔和燃烧。且在满足柔和燃烧最小回流比例的情况下,燃料轴向分级带来的NOx减排效果会随着二级燃料量的增加而减小,当二级燃料量在15%的时候可以获得较优的NOx控制效果。其次,由于燃料轴向分级后头部回流烟气温度的降低,柔和燃烧的转捩回流比会小幅增加,当二级轴向燃料占比大于25%时,即主当量比低于0.7之后,不利于柔和燃烧的实现。对于高当量比、高热强度的炉膛燃烧,燃料轴向分级对优化OH场、均匀温度场的效果尤为明显,可以实现更佳的NOx控制效果。本文通过数值模拟确定实验器方案,并搭建天然气锅炉燃烧器实验平台,开展不同热强度、燃烧当量比、燃料轴向分级配比以及加温加湿情况下的燃烧特性和排放特性研究。结果表明,在文中实验条件下燃烧器喷嘴出口速度的大小会影响射流卷吸烟气的程度,喷嘴出口速度较小时主燃区的温度不会因为主当量比的降低而降低,反而会有微小的提升,不利于炉膛尾气中NOx的控制。在文中给定的加湿实验条件下,采用热水对空气进行加湿后可以降低炉膛内的峰值火焰温度,减少炉膛沿程温度差,优化温度场,使NOx排放控制在10ppm@3.5%O2以内,且采用热水加湿比常温水的加湿效果更加明显,在一定的加湿范围内,NOx的减排收益会随着空气加湿量的增加而增大。本文的研究内容可为天然气锅炉的低NOx柔和燃烧器设计提供参考。