城市化进程持续推进致使许多城市面临大量垃圾堆积造成环境污染的问题,使用焚烧法处置垃圾会产出包含重金属元素等有害物质的垃圾飞灰对生活环境造成危害。固稳法可利用垃圾飞灰本身所含有的含硅氧化物形成具有稳定结构的玻璃体,在此过程中将重金属元素包埋起来使其不易排出。本文拟设计一款以天然气为燃料的旋流燃烧器作为旋风炉的主要燃烧部件对城市垃圾进行熔融处理,对其燃烧和流场特性及飞灰的气流携带特性开展研究工作,随后基于设计参数形成实验系统的总体设计方案。为建立合适的燃烧和流场条件,对已有燃烧器做适用于熔融处理垃圾飞灰的结构改型,随后建立三维模型并绘制网格开展数值模拟工作。通过调整燃烧室的头部进气当量比、径向旋流器旋流参数、肩部结构使得燃烧器能够稳定建立燃烧。通过改变二次风空气的进气量和进气流道偏折参数对燃烧器的总体当量比和流场特征进行研究,使火焰筒内的温度场和流场符合飞灰熔融的需求。发现进气当量比为0.8和径向旋流器偏心距为28 mm的情况更适合燃烧器的稳定燃烧,在总体当量比为0.6时,能够保证飞灰熔融所需的高温条件和旋流性能。对单一粒径和多粒径在火焰筒内的气流携带特性展开研究。利用数值模拟方法,通过改变二次风空气进口的偏折参数,从运行轨迹、时间、空间分布和温度特性四个方面对燃烧器的飞灰处理性能进行评估。结果表明,较大和较小的二次风空气进口偏心距均可使燃烧器较快进入稳定状态,同时达到较高的捕集率,但过大的偏心距会导致颗粒在火焰筒上游堆积;大粒径的颗粒难以逃逸但同样难以升温,本文设计的燃烧器中,粒径小于73μm的逃逸颗粒均处于熔融状态。偏心距为28 mm时可同时满足高捕集率的要求和逃逸飞灰处于熔融状态的要求。基于数值模拟结果设计总体实验系统。将实验系统拆分为实验段主体、空气/燃气管路,飞灰输送装置,熔渣水冷装置和烟气除尘装置五个部分,完成各零部件的结构和零件连接方式的设计工作。发现实验系统运行的重难点在于二次飞灰和烟气的处理方式上,利用水冷与水膜分离的方式解决问题。