MILD（Moderate and Intensive Low-oxygen Dilution）燃烧因其具有天然的低氮排放特性受到广泛关注,然而在工业炉上开展的中低温预热条件下MILD燃烧试验研究较为缺乏,且对其炉内换热行为以及换热对MILD燃烧及其稳定性的影响关注较少。本文基于1 MW天然气MILD燃烧试验平台,开展了低温预热空气（423 K）条件下MILD燃烧的试验研究,计算分析了低温预热常规和MILD燃烧炉内不同区域的燃烧和传热行为,揭示了两种燃烧反应路径的差异,基于变壁温进一步考察了炉壁换热与MILD燃烧之间的相互影响机制,为推进低温预热MILD燃烧在工业窑（锅）炉的应用提供理论依据。首先,本文开发设计了一种兼具常规/MILD燃烧功能的一体化燃烧器,并开展了低温预热条件下天然气MILD燃烧及排放特性的试验研究。结果表明,将冷炉墙预热到～1273 K后可实现常规燃烧与MILD燃烧之间的灵活切换;从常规燃烧切换为MILD燃烧时,炉内火焰锋面消失,温度峰值从1723 K降低至1512 K,炉膛空间整体温差维持在186 K以内,相应地NO从59.8 ppm减少至13.8 ppm,低氮燃烧特性极其显著。其次,计算分析了低温预热常规和MILD燃烧方式下炉内燃烧与传热行为,并弄清了两种燃烧方式下甲烷消耗路径的差异。结果表明,与常规燃烧相比,MILD燃烧的热释放速率降低,但其轴向覆盖的范围增加,同时反应路径CH4→CH3→CH2O→HCO→CO→CO2的速率显著降低;此外,在炉头燃烧器出口处,MILD燃烧的热流密度较低,而在炉膛下游主反应区则较高。MILD燃烧还具有更高的对流和辐射热流,分别较常规燃烧提升了5.4 k W和3.8 k W,且辐射传热比例高达91.2%。最后,考察了壁温（Tw=1600～1000 K）对低温预热天然气MILD燃烧与传热特性的作用规律。结果表明,降低Tw能够增大炉壁提取的热流量。当Tw从1600 K降低至1000K时,MILD燃烧方式下尾部CO排放浓度先下降后上升,同时炉内的温度峰值和OH+CO?H+CO2的反应速率显著降低,着火延迟时间明显增加,导致MILD燃烧主反应区后移。值得指出,在一定程度上,增大炉壁换热有助于MILD燃烧的建立,但炉壁热流提取过度（如Tw＜1000 K）将导致MILD燃烧（尤其是低温预热条件下）失稳,甚至出现熄火现象;然而,常规燃烧在冷炉壁的工况下（如Tw=300 K）也能维持稳定燃烧。