本文设计了一套非换向高温空气燃烧系统，主要由烟气自循环燃烧器、炉体及管壳式换热器组成，采用数值模拟和实验的方法对烟气自循环工业炉内的温度分布、NOx排放量及浓度分布进行了研究。燃烧器头部燃料管与环形空气喷口之间有小燃烧区，对引燃和稳定火焰起到了积极作用。这一区域随燃料喷管伸入距离的增加、燃料预热温度的升高逐渐减小，随着燃料喷嘴与空气喷嘴之间距离的增加逐渐变大。炉内高温区域在燃料喷口伸入10mm时最大，平均温度升高，在伸入距离大于10mm后，炉内高温区域逐渐减小，炉温变得不均匀。炉膛内平均温度和最高温度随炉膛长度的增加而增加，温差逐渐变小，炉内温度分布更均匀。在燃料预热温度为400K时，炉内高温区域最小，炉内温度最低，当燃料预热温度超过400K后，高温区域逐渐增大，平均温度逐渐升高。在燃料喷嘴与空气喷嘴之间距离d=30mm时炉内平均温度升高，当d=40mm时，炉内平均温度降低，炉内最高温度随间距d的增加呈线性增加。炉膛内以热力型NOx为主，其分布趋势与平均温度分布相似。通过浓度分析得出燃料燃烧要经过裂解区、过渡区、燃烧区。本文搭建了高温空气燃烧实验系统，通过实验分析了空气预热温度、空气过量系数对燃烧的影响。不同空气预热温度下，炉内各测点温度分布趋势一致，并随空气预热温度的升高炉内各测点温度升高，火焰逐渐变得不规则，火焰体积逐渐变大，热力型NOx随温度的升高而升高，CO逐渐降低，燃烧效果得到改善。不同空气过量系数下，炉内各测点温度分布趋势一致，并随空气过量系数的增加各测点温度逐渐升高，火焰颜色由蓝色逐渐变为黄色，火焰体积逐渐变小，火焰开始变得规则。渐扩口氧浓度和炉膛出口NO浓度随空气过量系数的增加而增加。通过对实验模型进行数值模拟得出，实验与模拟基本上是吻合的。通过对燃烧稳定性的分析，得出一条以空气预热温度为横坐标，空气过量系数为纵坐标的曲线，曲线右上区域为稳定燃烧区，左下区域为非燃烧区。