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本文以天然气为原料制备合成气(CO+H2)的工业生产装置(天然气非催化部分氧化炉)为基础，系统研究了氧化炉内的着火延迟时间、物料的流动、传热和反应过程。利用数值模拟方法对炉内三维湍流流动、混合与化学反应进行耦合并建立了天然气非催化部分氧化炉三维计算机模型，开发了一个天然气非催化部分氧化炉内过程的数值计算程序。概要如下：
1.以气流床天然气非催化部分氧化炉内的宏观流体流动特征为基础，从部分氧化炉内主要的化学反应平衡着手，结合流动、混合与化学反应平衡的相互影响，对天然气非催化部分氧化炉进行了热力学平衡分析。初步探讨了工艺条件对气化结果的影响，提出了工艺条件的优化方案。
2.研究了现存的甲烷氧化反应动力学机理模型，分析了高温、特别是高压条件下的核心基元反应和主要链式反应机理。利用文献报道的甲烷氧化试验数据和ChemkinⅡ程序，评估了三种化学动力学机理模型，即GRI-3.0(53种成分，325个基元反应)，Konnov-0.5(127种成分，1200个基元反应)，Petersen-C5(118种成分，663个基元反应)模型对高压中温条件下甲烷着火延迟时间的预测能力。选定了适用于本文研究的高温高压过程的最佳动力学机理模型。
3.根据选定的天然气部分氧化动力学机理模型，本文采用一维层流预混火焰模型，模拟了甲烷非催化部分氧化炉内着火与重整转化过程。研究了高温高压条件下，天然气着火和转化的化学动力学特性；探讨了02/CH4比对着火延迟时间及其对甲烷完全转化特性的影响；研究了添加水蒸汽对于调节合成气成分潜在的作用和机理。结果表明，当温度高于1450K，压力高于3.0MPa时，甲烷的转化在0.1ms的停留时间内完成。通过对不同02/CH4比的计算结果比较发现，为保证甲烷的完全转化，02/CH4的比应大于0.64；添加水蒸汽可以作为调节合成气成分的手段之一。
4.采用传统湍流反应流体的物理模型和数值方法，建立了天然气非催化部分氧化炉三维计算机模型，开发了一个天然气非催化部分氧化炉内过程的数值计算程序，利用Sandia标准射流火焰对模型进行了验证。
5.对工业运行的天然气非催化部分氧化炉内气体速度、温度、浓度分布进行了数值模拟。通过一系列的数值实验，探讨了02/CH4、02/H20及压力等操作参数对部分氧化炉性能的影响。模拟结果表明：反应炉内甲烷的转化过程对送入原料气的02/CH4比十分敏感；提高02/CH4比能引起氧化炉内温度上升、使甲烷完全转化，但是会降低有效气产率及其产出效率；水蒸汽对部分氧化炉内反应过程的影响较为复杂，增加水蒸汽的添加量，一方面会推迟着火，另一方面又提高了反应气体温度从而改善甲烷的转化。本文研究表明增加系统压力并不能改善氧化炉本身的性能：为消除氧化炉喷口附近局部高温区，应有效地减少着火过程中C02和H20的生成，比如将02/CH4部分混合并辅以水蒸汽稀释可能是值得尝试的措施之一。