本发明涉及到海底天然气水合物开采技术领域，特别是一种模拟海底浅层非成岩水合物固态流化开采的二级破碎与流化的模拟实验装置及方法。
背景技术：
天然气水合物又称为“可燃冰”，是一种高密度、高热值的非常规能源。据估计，全球天然气水合物的资源总量换算成甲烷气体约为（1.8～2.1）×1016m3，其碳含量相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍。我国海洋天然气水合物资源前景十分广阔，据悉国土资源部研究者估算，仅南海天然气水合物的总资源量就达到了650亿吨油当量，约相当于我过陆上和近海石油天然气总资源量的一半。
目前，我国已在南海进行了两次天然气水合物出样，分析取样结果显示我国天然气水合物具有埋藏浅、胶结性差的特点，利用常规的热激、降压、注化学试剂等开采方法进行开采极易引发地质灾害与环境安全问题。有鉴于此，提出针对海底浅层天然气水合物的固态流化绿色开采方法并于2017年5月中旬，采用固态流化方法在南海神狐海域开始试采并成功点火。
固态流化方法是在不主动改变海底水合物矿层温度和压力的情况下，即避免水合物发生分解，以及由此引起的环境、地质灾害，直接将天然气水合物破碎成固体颗粒，通过密闭管道将天然气水合物颗粒与海水的混合物泵送至海面，而后再进行分离、分解、气化等处理。
天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置是针对于采用海底采矿车初次破碎或淹没射流初次破碎的水合物胶结物的再次通过旋转冲击破碎细化，近一步促进胶结物中的可燃冰和泥沙解离。
作为一种新能源，天然气水合物的大量开采及输送也处于探索阶段，并且天然气水合物在常温常压下易分解为天然气，这显然给天然气水合物的开采探索造成了一定的难度，增加了实验成本。水合物替代物的出现可以在实验室常温常压的条件下探索水合物开采。海底天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置旨在利用水合物代替物颗粒代替天然气水合物在实验室的常温常压条件下研究天然气水合物固态流化工艺中的二级破碎装置。模拟天然气水合物二级破碎装置降低了研究水合物二级破碎的实验成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种结构紧凑，可用天然气水合物代替物在室内模拟天然气水合物的二级破碎实验装置及实验方法。
本发明的一方面提供海底天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置，所述天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置包括二级破碎管道、旋转动力组件、颗粒破碎刀组、落料组件、破碎颗粒回收装置、控制系统，所述旋转动力组件与二级破碎管道一端封闭连接，旋转动力组件设有旋转轴，颗粒破碎刀组安装在旋转轴上，二级破碎管道另一端开有轴向垂直和水平出口，落料组件焊接在二级破碎管道轴向垂直出口的圆转方法兰盘封闭连接，二级破碎管道水平出口设有螺纹与t形连接件，控制系统连接旋转动力组件和落料组件。
进一步的技术方案中，所述二级破碎管道一端依次装有静盘和螺旋内衬套与旋转动力组件封闭连接，静盘与螺旋衬套间距可调，所述二级破碎管道另一端开有内凹台肩，二级破碎管道轴向平行环面设55度锥螺纹与所述t形连接件密封连接，支撑件安装在二次破碎管道的内凹台肩上，所述内凹台肩装有所述旋转轴的支撑件，t形连接件紧压支撑件，所述支撑件与旋转轴之间装有轴承，二级破碎管道在颗粒回收装置上方径向设有流道出口。t形连接件一端开有与二级破碎管道配合的55度锥螺纹，另一端焊接有变径接口，所述的变径接口另一端连接游刃。
进一步的技术方案中，所述旋转动力组件包括电机a、梅花弹性联轴器、旋转轴、端盖，电机a和旋转轴通过梅花弹性连轴器连接；所述旋转轴安装在二级破碎管道的中心，旋转轴一端与梅花弹性联轴器连接，另一端悬臂外伸，由支撑件支撑，所述端盖与二级破碎管道通过螺栓和螺母连接，端盖中心开有旋转轴通过的孔，所述端盖内与旋转轴空隙内填充盘根密封件和轴承。
进一步的技术方案中，所述颗粒破碎刀组包括刀齿和刀盘，所述刀盘为圆环形，外圈开有固定槽，槽内与旋转轴轴向方向相同的面开有圆孔，所述刀齿带有刀刃且根部开有通孔，刀齿安装在刀盘的固定槽内，通过螺栓和螺母锁紧，所述旋转轴开有通槽，所述刀盘通过旋转轴上的轴套轴向定位，所述刀盘与刀盘之间的间距可调，所述旋转轴一端通过轴肩定位，另一端开有米制螺纹，采用锁紧螺母固定轴套。
进一步的技术方案中，所述落料组件包括料斗、关风机、电机b、圆转方异形法兰盘，所述料斗安装在关风机进料口处，电机b与关风机连接，所述圆转方异形法兰盘焊接在t形连接件入口，圆转方异形法兰盘开有四个通孔，关风机与圆转方法兰盘之间装有蝶阀，关风机出口通过螺栓和螺母与圆转方异形法兰盘封闭连接，当落料组件的蝶阀开启时，颗粒由料斗进入，颗粒与水在进入二级破碎管道之前非预混，当蝶阀关闭时，颗粒与水一同从右侧入口进入，此时颗粒与水预混。
进一步的技术方案中，所述破碎颗粒回收装置包括ⅰ、ⅱ型，ⅰ型包括不同目数的筛网和蓄水池，所述的筛网根据眼的大小依次从大到小排列并安装在出水口处，筛网下方有蓄水池，所述蓄水池内的水通过泵提供动力，水在整个实验装置内循环，ⅱ型包括水力旋流器，分离后的水流入蓄水池，分离后的颗粒回收，整个实验装置内循环。
进一步的技术方案中，所述控制系统包括两个变频器，所述变频器分别连接并控制旋转动力组件电机和落料组件电机转速，所述刀具与不同的颗粒破碎冲击速度和颗粒进料速度会获得不同的破碎效果。
进一步的技术方案中，所述的端盖中心开有旋转轴通过的孔，所述端盖内部与旋转轴之间还装有盘根密封件和轴承，所述端盖还焊接支撑电机的z形支撑板，电机a与z形支撑板通过螺栓螺母连接。
根据权利要求2和3所述的海底天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置，其特征在于所述的支撑件（4）为两个圆环，圆环之间连接有细长状支撑，紧压支撑件（4）外圆环，支撑件（4）内环开有轴向定位台肩（42），轴向定位台肩（42）内装有轴承。
另一方面，本发明提供了一种海底天然气水合物二级破碎的方法，采用上述天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置对天然气水合物替代物颗粒进行天然气水合物二次破碎模拟。模拟二级破碎实验方法包括：
步骤s1：安装所述刀齿在刀盘上，安装刀盘在旋转轴上并调节刀盘与刀盘之间的距离；
步骤s2：泵入二级破碎实验装置内所述的蓄水池内循环水，调节泵送阀门大小，稳定所述循环水流量。
步骤s3：打开所述关风机电动机，调节控制系统的变频器，达到预定的落料速度；
步骤s4：打开旋转动力组件电机，调节控制系统的变频器，达到预定的颗粒破碎组件旋转速度；
步骤s5：装入料斗天然气水合物代替物颗粒并开始计时；
步骤s6：关闭泵入所述蓄水池内循环水，关闭落料组件电机和旋转动力组件电机，测量称重每个筛网筛出的颗粒。
与现有技术相比，本发明具有一下优势：
（1）落料组件，天然气水合物代替物颗粒采用非预混与预混的形式送料，当采用非预混送料时，可以减小颗粒沉降的影响，保证破碎管道内颗粒浓度，当采用预混送料时，可以模拟代替物与水混合一段时间后的颗粒破碎；
（2）在破碎管道内设计了静盘和螺旋内衬套，静盘增加了颗粒碰撞概率，螺旋内衬套增加了流体的旋流速度，并且静盘和内衬套的位置可调，静盘与静盘之间的间距也可调；
（3）刀齿与刀盘拆卸连接，实验时只需更换不同数目和角度凹槽的刀盘，即可安装不同数目和不同安装角度的刀齿数；
（4）旋转轴上开有通槽，安装在旋转轴上的刀盘可以调整刀盘与刀盘之间的距离；
（5）本实验装置操作简单，成本低，便于研究天然气水合物旋转冲击式的破碎解离。
本发明提供的海底天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置通过调节颗粒破碎组件的转速和天然气水合物替代物落料组件的关风机转速及调节刀齿数和刀盘距离获得实验破碎结果，降低了实验的复杂性和实验成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置的结构示意图；
图2是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置的局部放大图；
图3是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置支撑件的结构示意图；
图4是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置部分刀盘的结构示意图；
图5是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置颗粒破碎组件的结构示意图和刀齿的结构示意图；
附图标记说明：
2-旋转动力组件3-二级破碎管道4-支撑件5-t形连接件6-落料组件7-颗粒破碎组件8-破碎颗粒回收组件9-控制系统组件11-螺栓12-螺母13-盘根密封件14-轴承15-z形支撑板21-电机a22-梅花弹性联轴器23-轴套24-锁紧螺母25-旋转轴26-端盖31-二级破碎管道端部法兰盘32-二级破碎管道内凹台肩33-二级破碎管道轴向垂直出口34-二级破碎管道水平出口35-螺旋内衬套36-静盘41-轴承42-轴承轴向定位台肩51-圆转方法兰盘52-变径接口53-游刃54-蝶阀61-料斗62-关风机63-电机b71-刀盘711-刀盘上圆孔712-刀盘内圈键槽713-刀齿固定槽72-锁紧孔73-键槽74-刀齿741-刀齿上的刀刃742-刀齿上的孔81-筛网82-蓄水池。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和步骤以外，均可以以任何方式组合。
为使本发明实施例的目的、技术方案的优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置的结构示意图，图2是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置的局部放大图，图3是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置支撑件的结构示意图，图4是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置部分刀盘的结构示意图，图5是本发明提供的天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置颗粒破碎组件的结构示意图和刀齿的结构示意图。
如图1至图5所示，本发明提供海底天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置，包括二级破碎管道、旋转动力组件、颗粒破碎刀组、落料组件、破碎颗粒回收装置、控制系统。所述旋转动力组件与二级破碎管道一端封闭连接，提供轴旋转的动力，旋转动力组件设有旋转轴，颗粒破碎刀组安装在旋转轴上，二级破碎管道另一端开有轴向垂直和水平出口，落料组件与焊接在二级破碎管道轴向垂直出口的圆转方法兰盘封闭连接，二级破碎管道水平出口设有螺纹与t形连接件，控制系统连接旋转动力组件和落料组件。
近一步的技术方案中，如图1所示，二级破碎管道一端依次装有静盘和螺旋内衬套与旋转动力组件封闭连接，另一端开有内凹台肩和二级破碎管道轴向平行环面设55度锥螺纹与所述t形连接件密封连接，支撑件安装在二次破碎管道的内凹台肩上，t形连接件紧压支撑件，二级破碎管道径向设有流道出口在颗粒回收装置上方。
近一步的技术方案中，如图1所示，旋转动力组件包括电机a、梅花弹性联轴器、旋转轴、端盖，电机a和旋转轴通过梅花弹性连轴器连接；所述旋转轴安装在二级破碎管道的中心，旋转轴一端与梅花弹性联轴器连接，另一端悬臂外伸，由支撑件支撑，所述端盖与破碎管道通过螺栓和螺母连接，端盖中心开有旋转轴通过的孔，所述端盖内与旋转轴空隙内填充盘根密封件和轴承。
近一步的技术方案，如图1和图4和图5所示，颗粒破碎刀组包括刀齿和刀盘，所述刀盘为圆环形，外圈开有固定槽，槽内与旋转轴的轴向方向相同的面开有圆孔，所述刀齿带有刀刃且根部开有通孔，刀齿安装在刀盘的固定槽内，通过螺栓和螺母锁紧，所述刀盘内圈开有键槽，采用键与旋转轴连接。
近一步的技术方案，如图1所示，落料组件包括料斗、关风机、电机b、圆转方异形法兰盘，所述料斗安装在关风机进料口处，电机b与关风机连接，所述圆转方异形法兰盘焊接在t形连接件入口，圆转方异形法兰盘开有四个通孔，关风机出口通过螺栓和螺母与圆转方异形法兰盘封闭连接。
近一步的技术方案，如图1所示，破碎颗粒回收装置包括不同目数的筛网和蓄水池，所述的筛网根据眼的大小依次从大到小排列并安装在出水口处，筛网下方有蓄水池，所述蓄水池内的水通过泵提供动力，水在整个实验装置内循环。
近一步的技术方案，控制系统包括两个安装在电机上的变频器示，所述变频器分别连接并控制旋转动力组件电机a和落料组件电机b转速。所述刀齿与颗粒的破碎冲击速度和颗粒的进料速度获得不同破碎效果。
近一步的技术方案，如图1所示，端盖中心开有旋转轴通过的孔，所述端盖内部与旋转轴之间还装有盘根密封件和轴承，所述端盖还焊接支撑电机的z形支撑板，电机a与z形支撑板通过螺栓螺母连接。
近一步的技术方案，如图1和图5所示，旋转轴开有通槽，所述刀盘通过旋转轴上的轴套轴向定位，所述刀盘与刀盘间的间距可调，所述旋转轴一端通过轴肩定位，另一端开有米制螺纹，采用锁紧螺母固定轴套。
近一步的技术方案，如图1所示，t形连接件一端开有与二级破碎管道配合的55度锥螺纹，另一端焊接有变径接口，所述的变径接口另一端连接游刃，喇叭状的变径接口可以使流场更为紊乱，使非预混颗粒混合均匀，游刃方便管件连接。
近一步的技术方案，如图1和图3所示，支撑件为两个圆环，圆环之间连接有细长状支撑，紧压支撑件外圆环，所述内凹台肩装有所述旋转轴的支撑件，所述支撑件与旋转轴之间装有轴承。
本发明提供的海底天然气水合物二级破碎与流化的模拟实验装置及方法通过调节颗粒破碎组件转速和天然气水合物替代物落料组件的关风机转速及调节刀齿数和刀盘距离获得实验破碎结果，降低了实验的复杂性和实验成本。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。