浸没燃烧天然气加热装置是一种应用于天然气调压门站的新型天然气加热装置,于2017年首次投入使用,天然气换热效果达到既定设计目标。但是装置的燃烧室初始设计仍基于传统的经验设计,考虑到装置自身结构的紧凑性,本文通过理论分析计算与数值模拟实验研究的方法并结合实际装置运行情况,在保证燃烧稳定以及燃烧完全的前提下,对装置燃烧室进行优化设计,尽可能提高燃烧强度,降低NO_x排放,减小燃烧室的尺寸和重量,以适应整台浸没燃烧天然气加热装置结构紧凑的要求。并最终给出这一类型燃烧室设计中的重要参数—烟气出口流动截面速度的推荐取值范围,为后续国内浸没燃烧天然气加热装置的设计提供参考依据。首先,根据装置实际情况,建立关于求解火焰高度与烟气出口截面流动速度的计算模型。并针对火焰高度计算模型中的关键参数层流火焰传播速度,建立一维层流预混火焰传播速度模型,通过求解构建火焰传播速度模型的基础数据,并利用化学动力学软件CHEMKIN求解出各具体实际工况下的层流火焰传播速度,最终求解出对应的火焰高度。其次,对在役结构燃烧室进行三维冷态数值模拟,结果表明:冷态条件下燃烧器内压力分布均匀,燃烧室处于正压;金属纤维表面气流速度分布均匀。在冷态模拟结果合理的基础上对模型进一步简化,进行二维热态模拟,分析比较在役结构燃烧室在额定设计功率,不同过剩空气系数下燃烧时的流场温度以及组分分布,结果表明:在役结构燃烧室燃烧状况较好,温度分布均匀;装置最佳运行过剩空气系数为1.4,与实际运行最佳工况相符;不同过剩空气系数下,燃烧在距离金属纤维很近的位置便实现了完全燃烧,径向燃烧空间还可进一步缩小优化。然后,在额定设计功率下设计四种不同结构的燃烧室,并在四种不同过剩系数下进行优化模拟,分析比较了包含在役结构燃烧室在内的20种不同烟气出口流动截面速度下的燃烧室温度分布,以及出口平均温度、NO_x、CO浓度的变化规律。结果表明,针对这类浸没式燃烧—圆筒形金属纤维燃烧器的燃烧室设计:缩小燃烧室直径有利于减小NO_x排放;综合考虑过剩空气系数对燃烧室设计以及NO_x排放的影响,建议过剩空气系数取1.4;以满足燃烧稳定、CO满足排放标准、NO_x排放最低的结构作为最佳燃烧室结构,最终得出:在不同火焰高度下,最佳燃烧室结构对应的烟气出口截面设计流速约为5m/s,因此,针对该类型燃烧室的设计,建议烟气出口流动截面速度取值不大于5m/s。最后,对在役装置在最佳燃烧室结构,最佳过剩空气系数下进行变功率模拟分析,对其燃烧负荷适应性进行了验证,结果表明:在负荷调节范围内,燃烧室燃烧稳定且NO_x排放符合排放标准,负荷适应性较强,同时也证明了优化后燃烧室结构的合理性。