一种适用于管内水合物颗粒的磨盘式破碎实验装置及方法技术领域
本发明涉及海底天然气水合物开采的技术领域，特别是一种适用于管内水合物颗
粒的磨盘式破碎实验装置及方法。
背景技术
天然气水合物又称为可燃冰，储量巨大，超过已知碳化石燃料总和的2倍，主要存
在于陆地永冻土以及大洋海底，其中大洋海底天然气水合物的储量远远超过陆地永冻土区
域的储量，是21世纪具有很大开采潜力的新型非常规能源。我国海洋天然气水合物资源前
景十分广阔，据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650亿吨油
当量，约相当于我国陆上和近海石油天然气总资源量的一半。
海洋天然气水合物藏水深1000~1500m，目前，我国已在南海进行了两次天然气水
合物取样，分析取样结果发现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。实现固态流化开采思路，其
本质是将天然气水合物作为一种海底矿产进行固体采掘，海底采矿车对矿藏进行破碎采
掘，同时后部输送管道形成负压，周围海水在负压作用下经过破碎部位流入输送管道，流动
时带动采矿车破碎的水合物及泥沙、碎石等一并进入输送管道。这是一种异于现有石油天
然气或海底采矿（水合物矿藏对象易分解气化）方式的新的开发思路。
采用固态流化开采技术进行开采时，遇到的关键难题就是如何高效的切削破碎天
然气水合物。首先，初次采掘出来的天然气水合物不可避免的包含了泥沙、碎石等杂质，为
了保证其纯度，需对其进行初次分离；其次，天然气水合物呈不规则的块状固态，开采出来
后要通过管道运输到海面支持船进行分解，为了保证水合物颗粒的流化输送，需要将其破
碎成均匀的、大小适中的固体小块。对初次采掘得到的天然气水合物大颗粒进行二次破碎，
是实现上述两个目的不可缺少的步骤。
发明内容
本发明解决固态流化开采思路中的初次分离和流化管输问题，提供一种结构紧
凑、可直接在输送管道中对天然气水合物颗粒进行二次破碎、高效碾磨大颗粒天然气水合
物、碾磨粒度可调整、碾磨粒度均匀、操作简单的适用于管内水合物颗粒的磨盘式破碎实验
装置及方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种适用于管内水合物颗粒的磨盘式破
碎实验装置，它包括物料预混合装置、破碎管道段、破碎磨盘单元、动力单元、接收装置和监
测控制系统；
所述的破碎管道段由首尾相连的破碎管道和出口弯管组成，破碎管道的另一端与物料
预混合装置连接，出口弯管的另一端与接收装置连接；
所述的动力单元的输出端顺次连接有转动监测传感器和长轴，长轴沿破碎管道轴线贯
穿出口弯管且旋转安装于破碎管道内；
所述的破碎磨盘单元由从左往右顺次设置于破碎管道内的第一级磨盘、第二级磨盘、
第三级磨盘和第四级磨盘组成，第一级磨盘和第三级磨盘均固定安装于长轴上，第二级磨
盘和第四级磨盘均经轴承A旋转安装于长轴上，相邻两级磨盘之间间隙由左往右逐级递减，
相邻两级磨盘的相对立面上均布置有方向互逆的磨纹，磨盘上磨纹的沟槽深度由磨盘外边
缘到中心方向由深逐渐变浅，磨盘上的磨纹由至少六个区，每个区上均开设有相互连通的
进料口和出料口，进料口和出料口之间形成有引流槽口，每个磨盘上的进料口和出料口的
过流面积均对应相等；
所述的破碎管道段的入口端和出口端均设置有数据监测单元，数据监测单元由流速传
感器、温度传感器、压力传感器和粒度仪组成，所述的流速传感器、温度传感器、压力传感
器、粒度仪以及转动监测传感器均与监测控制系统连接。
所述的破碎管道内设置有支撑固定组件A和支撑固定组件B，支撑固定组件A位于
第一级磨盘的左侧，支撑固定组件B位于第四级磨盘的右侧，支撑固定组件A和支撑固定组
件B内均安装有轴承B。
所述的长轴旋转安装于轴承B内。
所述的长轴与出口弯管的接触处安装有动密封件。
所述的相邻两级磨盘均经套装于长轴上的定位套筒隔开。
所述的破碎管道与出口弯管经法兰连接。
所述的第二、四级磨盘上的进料口围成环形状。
所述的第一、三级磨盘均经平键安装于长轴上。
所述的物料预混合装置为螺杆砂浆泵。
所述的一种实验装置磨盘式破碎适用于管内水合物颗粒的方法，它包括以下步
骤：
S1、启动动力单元，动力单元带动长轴转动，长轴带动第一级磨盘和第三级磨盘做旋转
运动；
S2、将大颗粒水合物和水预先混合于储料罐内，启动螺杆砂浆泵，螺杆砂浆泵将储料罐
内大颗粒水合物和水泵入破碎管道内；
S3、大颗粒水合物顺次经第一级磨盘上的进料口、引流槽口以及出料口进入第一级磨
盘和第二级磨盘形成的第一个碾磨区，在两个磨盘间互逆磨纹的共同作用下将大颗粒水合
物碾磨成较小颗粒；
S4、由于磨纹的导流作用，步骤S3中的小颗粒水合物顺次经第二级磨盘边缘处的进料
口、引流槽口以及出料口进入第二级磨盘和第三级磨盘形成的第二个碾磨区进行碾磨，碾
磨后进入第三级磨盘和第四级磨盘形成的第三个碾磨区进行碾磨，最后碾磨成极小颗粒水
合物与水，极小颗粒水合物与水一起流出并经出口弯管进入接收装置内收集。
本发明具有以下优点：本发明结构紧凑、可直接在输送管道中对天然气水合物颗
粒进行二次破碎、高效碾磨大颗粒天然气水合物、碾磨粒度可调整、碾磨粒度均匀、操作简
单，解决了固态流化开采思路中的初次分离和流化管输问题。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为破碎磨盘单元与长轴、破碎管道的安装示意图；
图3 为第一级磨盘的结构示意图；
图4 为第二级磨盘的结构示意图；
图中，1-物料预混合装置，2-动力单元，3-接收装置，4-监测控制系统，5-破碎管道，6-
出口弯管，7-转动监测传感器，8-长轴，9-第一级磨盘，10-第二级磨盘，11-第三级磨盘，12-
第四级磨盘，13-轴承A，14-磨纹，15-进料口，16-出料口，17-引流槽口，18-流速传感器，19-
温度传感器，20-压力传感器，21-粒度仪，22-支撑固定组件A，23-支撑固定组件B，24-轴承
B，25-动密封件，26-定位套筒，27-法兰，28-平键。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~4所示，一种适用于管内水合物颗粒的磨盘式破碎实验装置，它包括物料预混合
装置1、破碎管道段、破碎磨盘单元、动力单元2、接收装置3和监测控制系统4。
所述的破碎管道段由首尾相连的破碎管道5和出口弯管6组成，破碎管道5与出口
弯管6经法兰27连接，破碎管道5的另一端与物料预混合装置1连接，物料预混合装置1为螺
杆砂浆泵，出口弯管6的另一端与接收装置3连接，接收装置3用于收集破碎后的极小颗粒水
合物。
所述的动力单元的输出端顺次连接有转动监测传感器7和长轴8，长轴8沿破碎管
道5轴线贯穿出口弯管6且旋转安装于破碎管道5内，长轴8与出口弯管6的接触处安装有动
密封件25。
所述的破碎磨盘单元由从左往右顺次设置于破碎管道5内的第一级磨盘9、第二级
磨盘10、第三级磨盘11和第四级磨盘12组成，第一级磨盘9和第三级磨盘11结构相同，第二
级磨盘10和第四级磨盘12结构相同，所述的第一级磨盘9和第三级磨盘11均固定安装于长
轴8上，所述的第二级磨盘10和第四级磨盘12均经轴承A13旋转安装于长轴8上，相邻两级磨
盘之间间隙由左往右逐级递减且间隙可根据水合物颗粒粒径要求进行调整，相邻两级磨盘
均经套装于长轴8上的定位套筒26隔开，相邻两级磨盘的相对立面上均布置有方向互逆的
磨纹14，磨盘上磨纹14的沟槽深度由磨盘外边缘到中心方向由深逐渐变浅，磨盘上的磨纹
14由至少六个区，每个区上均开设有相互连通的进料口15和出料口16，进料口15和出料口
16之间形成有引流槽口17，引流槽口17以利于水合物颗粒顺利进入到碾磨区。每个磨盘上
的进料口15和出料口16的过流面积均对应相等。
所述的破碎管道段的入口端和出口端均设置有数据监测单元，数据监测单元由流
速传感器18、温度传感器19、压力传感器20和粒度仪21组成，所述的流速传感器18、温度传
感器19、压力传感器20、粒度仪21以及转动监测传感器7均与监测控制系统4连接。所述的流
速传感器18用于实时监测流体的流速，并将数据反馈给监测控制系统4；所述的温度传感器
19和压力传感器20分别用于实时检测流体的温度和压力并将其转换为电信号传递给监测
控制系统4；所述的粒度仪21用于实时监测流体中水合物颗粒粒度，并将数据反馈给监测控
制系统4；所述的转动监测传感器7用于实时检测长轴8的转速并转换为数字信号传递给监
测控制系统4，从而更直观的观察管道内水合物颗粒的破碎情况。
所述的破碎管道5内设置有支撑固定组件A22和支撑固定组件B23，支撑固定组件
A22位于第一级磨盘9的左侧，支撑固定组件B23位于第四级磨盘12的右侧，支撑固定组件
A22和支撑固定组件B23内均安装有轴承B24；所述的长轴8旋转安装于轴承B24内。
所述的第二、四级磨盘上的进料口15围成环形状；所述的第一、三级磨盘均经平键
28安装于长轴8上。
所述的一种实验装置磨盘式破碎适用于管内水合物颗粒的方法，它包括以下步
骤：
S1、启动动力单元2，动力单元2带动长轴8转动，长轴8带动第一级磨盘9和第三级磨盘
11做旋转运动；
S2、将大颗粒水合物和水预先混合于储料罐内，启动螺杆砂浆泵，螺杆砂浆泵将储料罐
内大颗粒水合物和水泵入破碎管道5内；
S3、大颗粒水合物顺次经第一级磨盘9上的进料口15、引流槽口17以及出料口16进入第
一级磨盘9和第二级磨盘10形成的第一个碾磨区，在两个磨盘间互逆磨纹14的共同作用下
将大颗粒水合物碾磨成较小颗粒；
S4、由于磨纹14的导流作用，步骤S3中的小颗粒水合物顺次经第二级磨盘10边缘处的
进料口15、引流槽口17以及出料口16进入第二级磨盘10和第三级磨盘11形成的第二个碾磨
区进行碾磨，如附图2中箭头所示，碾磨后进入第三级磨盘11和第四级磨盘12形成的第三个
碾磨区进行碾磨，最后碾磨成极小颗粒水合物与水，破碎后极小颗粒水合物粒度均匀，极小
颗粒水合物与水一起流出并经出口弯管6进入接收装置3内收集。因此本实验装置实现了高
效破碎大颗粒天然气水合物颗粒，而且可直接在输送管道中对天然气水合物颗粒进行二次
破碎，达到了绿色二次破碎目的，解决了固态流化开采思路中的初次分离和流化管输问题。