面对日益增长的天然气需求,其燃烧排放的污染物已成为油气产业可持续发展的不利因素。相较于传统空气燃烧,天然气富氧加湿燃烧技术能显著提高燃烧速度与燃烧效率,提高循环热效率,促进燃烧反应完全,且有效降低污染物的排放浓度。目前对天然气加湿富氧燃烧技术燃烧反应机理的研究尚不明确,需要对该条件下燃烧特性及污染物生成机理进行进一步研究。本文基于富氧燃烧、加湿燃烧与低氮燃烧的组合技术路线,提出一套天然气富氧加湿燃烧及烟气置换开采天然气水合物(NGH)方案。采用数值模拟方法,对天然气预混水蒸气富氧燃烧特性进行研究,达到提高燃烧热效率与控制污染物排放量的效果。选取和本文具有相同燃烧器结构的对比文献,并采用相同的燃烧工况进行模拟研究,得出的模拟结果与对比文献的测量数据结果基本吻合,最大误差均在合理范围内,验证了本文模型的准确性和可靠性,确保了后续模拟的准确性。在保证燃烧器入口处天然气质量流量为定值的情况下,研究了单一变量水蒸气预混比R_f对水蒸气预混天然气富氧燃烧的影响规律。结果表明:富氧加湿燃烧条件下燃烧器内对流及辐射传热效果增强,燃烧效率提高,燃烧反应更加完全,污染物的排放浓度显著降低,燃烧性能有所改善。但随着注蒸汽量增加,燃烧温度下降将影响燃烧效率,且水蒸气的大量增加易造成锅炉熄火,故选择达到排放标准的注蒸汽量作为限值,即R_f=0.33。在此基础上,对天然气加湿燃烧特性的影响规律进行了分析,重点研究了烟气再循环率、过量空气系数及助燃气体预热温度对燃烧特性的影响规律。结果表明随烟气再循环率的增加,燃烧反应最高温度而逐渐下降且高温区域逐渐缩小,燃烧效率提升且减排效果明显。随着过量空气系数的升高,天然气燃烧反应速率加快,燃烧效率升高,燃烧器出口污染物排放量降低。随着助燃气体预热温度的上升,燃烧器内燃烧更加充分,温度分布区域更加均匀,而燃烧所产生的污染物NO_x呈指数爆发趋势增长,碳黑排放量则略有下降。通过对模拟结果的综合分析并考虑经济效益及工业适用性等因素,提出在天然气富氧加湿燃烧条件下,将烟气再循环率控制在5%至10%之间,过量空气系数控制在1.05至1.1,助燃气体预热至420K以内,可以有效提高燃气锅炉燃烧热效率及后续碳捕集效率,最大程度上减少污染物的排放水平。为实现天然气富氧加湿燃烧的工业化应用,将该技术引入电厂燃气蒸汽锅炉领域。基于以上研究结果,提出了一套天然气富氧加湿燃烧及烟气置换开采天然气水合物(NGH)方案,并对富氧加湿燃烧技术的经济性进行线性回归分析,验证其工业可行性并且评价其经济性,得出其最优工况,为今后天然气富氧加湿燃烧技术的工业应用提供了一定的理论指导依据,创造能源优化-清洁环保-增产创收的三赢。