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减少工业炉污染物排放，是企业和研究者们共同面临的迫切挑战。与燃煤锅炉烟气经脱硫脱硝排放不同，部分炼化装置的加热炉和尾气焚烧炉等的烟气通常直接排放。抑制燃烧过程污染物的生成，即优化燃烧器结构参数、应用新型燃烧技术是炼化工业炉减排的有效途径。本文首先系统研究了燃气分级燃烧器结构参数对氮氧化物NOx排放浓度的影响，并将研究成果进行了试烧和工程试验;其次在直流燃烧室上进行了MILD燃烧技术的应用研究，并提出贫预混-MILD耦合燃烧技术，拓宽了MILD燃烧技术的应用范围;最后采用贫预混-MILD低NOx排放耦合燃烧系统开展了硫化氢转化研究。主要研究内容及创新成果如下: (1)首次基于响应面方法开展燃烧器优化，克服了单因素法不能确定因素间交互作用的缺点，进行了燃气分级低NOx燃烧器的设计与燃烧特性研究。分析了中心燃气和分级燃气喷射角、分级燃气枪安装高度及其交互作用以及燃烧道形状、分级枪数量和中心辅燃燃气对燃烧过程和污染物生成的影响，数值模拟与试烧结果吻合良好。拟合得到关键结构参数与NOx排放浓度之间关系式，确定分级燃气枪安装高度是最显著的影响因素。将优化后的燃烧器在某管式加热炉上进行工程试验，干烟气O2浓度为2.6％，NOx浓度为25 ppm，CO浓度小于2 ppm，与改造前相比，NOx排放降低70.5％，加热炉效率增加0.8个百分点，证明了新开发的燃气分级燃烧器具有高效燃烧和低NOx排放的效果。 (2)为提高直流燃烧炉MILD燃烧的燃尽率，提出在燃烧室内增加折流板的方法，增大烟气循环率，改善烟气停留时间分布，促进CO完全燃烧，且维持较低的NOx排放浓度和不明显增加的压降。分析了折流板高度和直径对MILD燃烧室内中心射流区、点燃区、燃烧区和烟气区等4个区域及污染物生成的影响。在最优折流板参数条件下，研究了燃气组分中H2和C2H6体积分数对燃烧过程、氮氧化物生成机理及排放浓度的影响。对直流燃烧室内空气喷孔的影响进行了数值模拟，拟合得到温度分布不均匀性系数η与最大烟气循环率Kv的幂函数关系式，发现当Kv＞1.25时，η＜15％，符合MILD燃烧的温度分布判定条件。 (3)为在低温加热炉上实现高效低NOx燃烧，提出了贫预混-MILD耦合燃烧技术，通过分层燃气和空气卷吸燃烧室内的循环烟气和中心贫预混燃烧烟气，稀释分层反应物，降低分层燃烧温度，实现了不形成明显火焰的MILD燃烧状态，抑制了NOx的生成。实验发现随着分层燃气/空气流量的增加，NOx排放浓度略有降低。基于贫预混-MILD燃烧原理，设计了负荷0.98 MW的工业燃烧器，数值模拟表明，加热炉出口干烟气中CO浓度为6.7 ppm，NOx的浓度为15.7 ppm，比标准中的特别排放限值低67.9％，说明该燃烧器具有高效燃烧和低NOx排放的效果。 （4)首次采用贫预混-MILD低NOx耦合燃烧系统开展含H2S尾气的焚烧实验研究，干烟气中NOx浓度仅为13.3 ppm，H2S的浓度小于2 ppm，实现了H2S基本完全转化。提出以SO作为H2S氧化为SO2过程的表征参量，发现SO浓度分布与酸性气温度升高区域相似，说明酸性气进入燃烧室后H2S很快转化为SO2，并分析了边界条件对SO3选择率的影响。通过敏感性分析从241个基元反应和48种组分中简化得出含115个基元反应和38种组分的CH4/H2S反应主要机理，且简化机理与详细机理的模拟结果吻合良好。