本文以天然气非催化部分氧化和脱油沥青气化生产合成气的工艺为背景，针对系统中火管式废热锅炉出现的超温和烧管等工程问题，搭建了冷模装置，采用实验和数值模拟相结合的方法，研究了管内气体流动阻力等因素对火管废热锅炉气体进口分布器和管束内气体分布的影响;建立了火管废锅的宏观传热数学模型，考察了热阻等重要因素对火锅废热锅炉性能的影响；采用数值模拟的方法，分析了火管内的流场和温度场；引入纳米流体的相关理论和研究方法，探讨了纳米级炭黑粒子对火管式废热锅炉传热过程的影响。主要内容如下:　　 1.通过搭建冷模装置，采用实验的方法，测定了气体进口分布器和管束中的速度和压力，结合数值模拟，研究了火管式废锅冷模装置的气体进口分布器中和管束中的气体均布规律。结果表明当各管内的气体流动阻力相差较大时，气体进口分布器与管束中的气体分布都受到很大影响。当管束阻力在总阻力中占主导地位时，气体分布器中的气体分布均匀与否对管束内的气体分布影响不大。在管内阻力较小时，管束中的速度分布受到分布器结构的影响很大。通过数值模拟得到气体分布器及管束中的流场，根据实验并结合数值模拟，得到锥形气体分布器内受限射流速度分布的经验公式。　　 2.基于实际工业装置中的立式异径螺旋火管废热锅炉的结构参数和操作数据，建立了火管式废热锅炉的宏观传热数学模型，分析了管壁垢阻对火管废热锅炉的火管传热特性的重要影响，研究了火管进口气体流量等因素对火管出口温度和产汽量等参数的影响，发现垢阻的变化对出口气体温度影响很大。根据操作数据并经宏观传热数学模型计算发现，提高进气温度，减小了管壁垢阻，使出口温度降低。火管内的进气温度、进气流量等对火管废热锅炉的产汽量、火管出口温度和火管压降也有很大影响。　　 3.结合生产操作数据，用火管废锅的宏观传热数学模型求得管壁垢阻值，并以该垢阻值作为初值，用数值模拟的方法得到生产中带有污垢火管壁面的当量导热系数，并得出了火管内的流场和温度场。通过对火管内流场和温度场的研究发现：火管结构对管内流场和温度场有很大的影响。在火管进口附近高温区的螺旋弯管和盘管的连接处，由于受到火管较大扭转角的影响，火管壁面部分区域受到高温气体的冲刷严重，如果材料选择不当，容易被烧坏。　　 4.根据脱油沥青气化生产合成气的操作数据，将纳米流体的相关理论和研究方法引入到工业装置的研究，建立了以合成气为“基液”的炭黑纳米流体的物性模型，基于炭黑纳米流体的均相对流传热模型，采用数值模拟的方法研究了纳米级炭黑颗粒对火管废热锅炉传热过程的影响。发现炭黑颗粒辐射和微尺度效应均强化了传热；炭黑粒子的存在对流体的有效热导，密度等物性有很大的影响。火管内炭黑纳米流体的流动和传热的数值模拟结果显示气化原料等实际生产操作条件的改变对管内的流场和温度场的影响不大，而火管结构对流场和温度场分布的影响最大。