化石燃料的广泛消耗导致了严重的环境污染和全球气候变化。为了实现碳中和和减少二氧化碳排放，无碳氨（NH3）作为一种有前景的替代品受到了越来越多的关注[1]，[2]。氨是一种优良的氢载体和零碳燃料，其完全燃烧仅产生氮和水。然而，由于氨的火焰速度低、燃烧稳定性差以及大量的NOX排放[3]，[4]，将其作为单一燃料的应用受到了限制。因此，将氨与其他燃料混合被认为是改善其燃烧特性的可行方法[5]。
通过将氨与氢、甲烷或其他碳氢化合物燃料混合，可以有效提高其燃烧效率[6]，[7]，[8]。Lhuillier等人[9]表明，适量的氢添加可以提高压力和效率，而过量的氢添加则会降低燃烧稳定性。然而，NH3和NOX的排放量都会随着氢含量的增加而增加。Elbaz等人[10]研究了NH3/C3H6/空气混合物的层流火焰传播，发现丙烷显著加快了NH3/空气混合物的燃烧速率，并且随着NH3摩尔分数的增加，火焰不稳定性降低。在各种混合燃料中，甲烷与氨的共燃烧被认为是一种更加平衡和实用的方法[11]，[12]，[13]。作为关键的传统燃料，甲烷的碳氢比最低，并且受益于成熟的全球基础设施，能够实现高效燃烧且碳排放相对较低。甲烷-氨共燃烧不仅提高了氨的燃烧性，还有效减少了NOX和COX的排放[14]，[15]。Wang等人[16]通过对贫燃NH3/CH4混合物的研究进一步发现，增加甲烷含量可以减少燃烧废气中的NOx排放，同时显著提高NH3燃料的燃限。Kohansal等人[17]表明，氨的层流火焰速度比甲烷低约80%，但在适当的氨浓度和预热条件下，氨-甲烷混合物的火焰速度与碳氢化合物相当。
除了优化燃料组成外，另一种方法是改变燃烧模式。多孔介质燃烧被认为是一种清洁高效的技术，它利用其优良的热存储和热传递性能来减少污染物排放并提高火焰效率[18]，[19]。Nid等人[20]证明了多孔介质在减少氨燃烧过程中NOX排放和提高热性能方面的有效性。Liu等人[21]将多孔介质集成到氨燃料微燃烧室中，显著拓宽了稳定燃烧范围，提高了温度均匀性，并抑制了NOx的形成。同样，Dai等人[22]设计了一种复合多孔介质燃烧器，强调了氨的协同效应，提高了燃烧温度并减少了CO2排放。多孔介质的材料特性和结构配置是影响燃烧性能的关键参数，主要分为整体型和离散型[23]。常见的填充材料，如颗粒、陶瓷泡沫和陶瓷环，主要由碳化硅和氧化铝等材料制成。Devi等人[24]评估了多孔介质材料在燃烧区对性能的影响，表明SiC陶瓷泡沫比ZrO2更适合贫燃沼气燃烧。除了材料特性外，结构配置也被认为是优化的关键因素。Zhang等人[25]和Wang等人[26]认为颗粒大小和策略性混合优化了温度分布并提高了燃烧效率。此外，Dai和Wu[27]构建了一种具有规则结构的新热化学氢生产系统，发现规则填充床的峰值温度低于不规则填充床。因此，系统地探索多孔介质填充类型和结构排列对于定制燃烧环境和提高燃料转化效率至关重要。
预热燃烧技术通过从烟气中回收外部热量，使得多孔介质中的燃烧更加高效。这种方法在贫燃和富燃条件下都显示出显著的颗粒物排放减少优势。Wang等人[28]提出了一种带有火焰保持器和多孔介质的预热微型燃烧器，有效扩展了贫燃甲烷-空气混合物的稳定操作范围并提高了燃烧效率。Amatachaya等人[29]研究了管束换热器在多孔介质中的气体燃烧效果，发现换热器内的气体流速增加，而测试区的温度降低。Lloyd等人[30]提出了一种微瑞士卷式换热器，通过其复杂的流动路径显著提高了换热效率。Fan等人[31]和Chen等人[32]分别通过加入钝体和设计双通道结构，进一步扩展了燃烧极限并实现了高效的氢生产和热量回收。Chaelek等人[33]设计了一种带有热循环的新燃烧器，发现预热稳定了火焰并支持了更高的燃烧速率。
虽然通过部分氧化碳基燃料（如甲烷）生产氢气的技术已经相对成熟，但重整气体的富燃料特性导致了更高的碳排放。氨作为一种零碳燃料，在清洁氢生产方面显示出巨大潜力[34]，[35]。然而，关于氨在多孔介质燃烧系统中的研究仍然相对有限，特别是在共燃烧配置方面。因此，本研究提出了一种综合燃烧系统，该系统在双层多孔介质燃烧器中使用甲烷作为反应促进剂，并结合了螺旋预热器。这种配置旨在协同提高火焰稳定性、热循环和反应物预热，解决了氨燃烧中的关键限制。系统研究了甲烷添加比例、多孔介质结构、当量比和入口速度对反应温度和产物分布的影响。研究表明，燃料混合、多孔介质燃烧和主动预热的 triple 耦合不仅增强了燃烧，还促进了合成气的形成，为氨的低碳能源转化提供了有效途径。
