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海洋深水浅层埋藏有丰富的天然气水合物资源,固态流化是我国首创的有效开采浅层非成岩、弱胶结天然气水合物的方法,并在南海神狐海域试采成功。目前,固态流化开采仍存在产气量低,无法达到商业开采要求等问题。水合物的破碎与高效率的集矿回收是其矿浆能否顺利进入后续分离和举升的关键,同时也是影响水合物开采效率的主要因素。因此,本文展开了水射流破碎水合物替代样的颗粒统计试验,得到了破碎速率与水合物颗粒粒径分布,在此基础上借鉴深海金属锰结核集矿方法,提出水合物矿浆负压集矿回收的方法,通过CFD软件分析了不同孔眼布置对水合物颗粒集矿效率的影响。基于固态流化采掘破碎回收实验装置,开展了负压集矿回收试验,验证仿真结果的可靠性,为后续天然气水合物颗粒集矿回收装置的设计与优化奠定了基础。本文主要工作如下:(1)为了研究水合物射流破碎后的颗粒粒径分布,基于破碎颗粒统计试验,收集破碎试验过程中的颗粒,通过标准试样筛筛分,得到了射流压力为10MPa、12.5MPa和14MPa的破碎颗粒粒径分布,确定了射流破碎后水合物颗粒的粒径范围,同时得到了射流压力为1OMPa条件下的破碎速率曲线,拟合出了回拖速度对孔眼直径及颗粒破碎剥离边界的影响,为后续的集矿回收以及分离、举升等提供了粒径分布参数。(2)为了提高天然气水合物的开采效率,提出了等排量负压抽吸集矿回收的的工艺。基于破碎粒径分布,通过CFD仿真分析了单个回收孔,相同入口排量不同孔径条件下破碎空腔的速度衰减规律,以及多孔耦合作用下破碎空腔的速度衰减规律。得出孔径大小对破碎空腔的影响,为集矿回收装置孔眼的选择提供了依据。(3)为了得到影响负压集矿回收效果的因素,基于CFD仿真优选出的孔眼,展开了在射流激励条件下,不同破碎空腔直径、回收孔孔眼大小和孔眼排布对回收效率影响的仿真分析,为集矿回收装置孔眼的优化提供了依据。(4)为了验证所提出的集矿回收方法和装置的可靠性,基于固态流化采掘破碎回收实验装置开展了集矿回收试验。分析等同抽吸流量条件下,不同回收孔的孔眼面积与布置在采收颗粒固态含量差异,得到孔眼大小、孔眼布置等影响负压集矿回收效果的主要因素,验证了 CFD仿真的可靠性。综上所述,本文通过水合物替代样破碎与集矿回收试验,得到了不同工况下的水合物的破碎速率及破碎颗粒粒径分布,为分离和举升提供颗粒分布依据;提出了等排量下集矿回收的方法并建立了一套仿真模型和分析方法以提高开采效率,为水合物固态流化开采中集矿回收装置的设计和优化提供新思路。