高温空气燃烧技术(High Temperature Air Combustion,简称HTAC)是上世纪90年代兴起的一种新型燃烧技术,它将烟气余热的极限回收、燃料的高效燃烧和NOx的低排放有机地结合起来,集节能、高效、环保与设备尺寸小等优势于一身,在近些年来迅速发展。蓄热室是高温空气燃烧技术的核心部分,本文主要针对填充球蓄热室的热工特性及优化设计做了专项研究。在查阅了国内外大量相关文献的基础上,通过对填充球蓄热室传热过程的分析,建立了填充球传热过程数学模型,同时应用Visual Basic计算机语言开发了一套可人工操作的数值计算软件,针对不同的设计参数,对所建模型进行数值求解,得出蓄热体材质、燃气种类、蓄热室结构参数及操作参数是影响蓄热室热工特性的主要因素,主要结论如下：(1)在相同情况下,蓄热体所选材质的蓄热能力越大,烟气出口温度越低,空气出口温度越高,换热效率越高,且蓄热能力越大,蓄热室的换热效率及气体出口温度随工况变化的波动幅度越较为平稳；(2)当燃用高热值的燃气(如天然气)时,在单预热的情况下,可以将烟气出口温度降低到200℃C以下,而当燃用低热值燃气(如高炉煤气)时,无论怎样增加蓄热室高度,缩短换向时间,都不可能将排烟温度降低到200℃以下,应当采用双预热方式,主要决定因素为气体的水当量比；(3)随着填充球直径的增大,烟气出口温度升高,空气出口温度降低,蓄热室的换热效率降低；随着蓄热室高度的增加,烟气出口温度降低,空气出口温度升高,蓄热室的换热效率升高；随着气体流速的增大,烟气出口温度升高,空气出口温度降低,蓄热室的换热效率降低；随着换向时间的延长,烟气出口温度升高,空气出口温度和蓄热室的换热效率都是先升高后降低,即对于一个结构和流量已经确定的蓄热室,存在一个最佳换向时间；(4)填充球直径的减小、蓄热室高度的增加和气体流速的增大都会导致球床阻力损失增大,风机等动力设备的能耗增大,所以在进行蓄热室设计时应该综合考虑各种因素的影响。最后,采用约束设计法,在给定蓄热室允许阻力压降的条件下,以获得最佳换热效果为目标,对填充球蓄热室的优化设计进行了初步研究,开发了一套填充球蓄热室优化设计软件,以求得最佳结构参数和操作参数。经过工程实例的验证,使用该软件所设计的填充球蓄热室,在满足工程技术指标的要求下,具有更高的换热效率,为设计人员提供合理的结构设计依据,减少不必要的人为误差,节省大量的计算时间。本文所做的工作可以对填充球蓄热室的实际应用提供理论指导,研究成果可作为工程设计的依据。