整体煤气化联合循环（IGCC）被公认为本世纪最具发展前景的煤炭清洁发电技术,由于其燃料—合成气的主要成分是CO和H₂,采用干式低NO_X燃烧技术容易引发回火等问题,而通过水蒸汽加湿等稀释燃烧可以在降低火焰温度的同时并不明显降低燃料活性,从而有效降低NO_X排放,这是目前合成气燃烧降低排放的主要方式,但目前这方面的应用的实验研究还比较缺乏。本文首先建立了具有双旋流结构喷嘴模型燃烧室的加湿燃烧实验台,实验中利用平面激光诱导荧光（PLIF）系统,对合成气火焰中的OH自由基浓度进行了测量,以深入了解火焰锋面结构、主要反应区尺寸、火焰形态等,同时采用高温热电偶测量燃烧室的排气温度,利用红外气体分析仪测量排气中的污染物浓度,对不同组成成分的中热值合成气及其在稀释情况下的火焰结构、燃烧特性进行实验研究。在实验的基础上,本文还对实验模型进行了数值模拟计算,并与实验结果进行比较分析,做为实验顺利进行的有效指导手段。研究结果发现,当量比较低时,合成气OH自由基主要集中在燃烧室两侧靠近壁面附近,中心轴线附近OH基浓度较低,燃烧室后半部分仅仅存在少量的OH自由基。随着当量比的提高,燃烧室内主要反应区域不断向中心轴线以及燃烧室下游两个方向延伸,中心轴线两侧反应区逐渐融为一体,OH荧光信号逐渐增强。同时,燃烧室排气平均温度几乎线性上升,尾气中CO排放量迅速降低,但是NO_X排放迅速上升。随后进行合成气加湿燃烧实验,采用水蒸汽稀释的方式对标准工况下的合成气进行实验研究。随着空气加湿量的增加,合成气火焰的基本形态已经发生很大变化,燃烧室中心轴线处OH基浓度越来越低,荧光信号强度明显变弱,火焰根部逐渐出现W型分布特征。同时,燃烧室平均排气温度缓慢下降,加湿量在0%～30%时,CO排放量变化不大,但是当加湿量增加到40%时CO排放迅速增加,特别是当加湿量50%,此时CO排放已经不稳定燃烧开始不稳定。此外,NO_X下降的很明显,但是当稀释量达到一定程度后（本实验中加湿量在20%）,NO_X的下降趋势变慢,继续增加水蒸气对NO_X的影响不大。为了进一步了解合成气组分变化对燃烧特性的影响,本文还针对不同CO/H₂体积比下的合成气在双旋流喷嘴燃烧室内加湿进行了实验研究,随着碳氢比的增加,OH自由基浓度场逐渐远离喷嘴出口,当碳氢比为2.0时,喷嘴出口处几乎不存在OH自由基,形成比较典型的推举火焰。随加湿量的增加,OH荧光信号强度明显变弱,火焰根部逐渐出现W型分布特征并且越来越明显,整个火焰结构出现比较大的变化。同时CO/H₂变化对燃烧室平均排气温度的影响不是太大,随着碳氢比的升高,CO排放基本上没有变化,CO排放量也很少, NO_X的变化也随CO/H₂的变化不是很大。为深入了解合成气稀释燃烧特性,实验最后对合成气带N₂稀释和水蒸汽加湿进行研究。实验结果表明,未经N₂稀释的中热值合成气燃烧时,处于靠近双旋流喷嘴出口区域基本上没有OH自由基的存在,燃烧室中心轴线上两侧反应区已经融为一个整体。当N₂稀释量比较低时,对整个燃烧火焰结构不会产生太大影响,但是当N₂稀释量的进一步增加,整个火焰结构会有比较大的变化。同时随着N₂稀释量的增加,燃烧室排气温度下降,CO排放量很低,但是NO_X几乎直线下降。最后,论文对数值模拟计算所得到的结果与实验数据进行了对比分析。结果表明,通过数值计算,燃烧后的NO_X和平均排气温度与实际实验结果在大致变化趋势上吻合的比较好,但是在具体数值上有所差异,而OH自由基浓度分布则与实验结果有较大的差异。