甲烷浓度在30%左右的煤矿井下抽放煤层气热值较低,甲烷的温室效应为二氧化碳的20倍,对臭氧层的破坏力是二氧化碳的7倍。因此,进行煤层气的产业化开发利用,不仅可以有效缓解我国当前和将来的天然气供需矛盾,还具有良好的社会效益和环境效益,对煤矿安全生产、节约资源、保护环境等方面都具有深远的意义。在能源局势日趋紧张的情况下,将煤矿附近的低效率的燃煤工业锅炉改烧煤层气是一项很好的节能减排措施。首先,本文介绍了国内外的煤层气利用现状,总结了国内外煤层气利用的几种途径,提出了低浓度煤层气利用的瓶颈问题;概述了低热值气体燃烧的研究现状,分析了低热值煤层气着火性能、火焰稳定性等的各种影响因素,为在燃煤锅炉改烧低热值煤层气的工业应用提供理论依据。其次,本文采用标准k-ε湍流模型、通用有限速率模型、P-1辐射换热模型及基于Thermal NOx的PDF输运方程的NOx生成模型,对燃煤锅炉改烧低浓度煤层气后炉内流动及燃烧过程进行三维数值模拟。分析了燃煤锅炉改烧低浓度煤层气后炉内流动及燃烧特性,预测了炉膛内流场、温度场和组分浓度场的分布规律,并对NOx的排放特性进行了预测。模拟结果表明:燃烧器的中心轴线上,具有最大的绝对速度值,随着热负荷的降低,炉膛温度和速度的峰值也逐渐减小,且峰值明显前移。NOx主要在炉膛后部的高温区域生成,且最大生成量在温度最高的区域。最后,针对喷嘴参数对低热值煤层气燃烧稳定性的影响进行实验研究,分析了流片的结构和安装位置对低热值煤层气燃烧的影响。实验结果表明:N3旋流片位置距离燃烧器出口30mm时,火焰温度最高,不容易发生熄火、脱火等燃烧不稳定现象,燃烧工况最佳。