作为我国第173个矿种,天然气水合物是一种储量丰富的高效清洁能源,也是未来全球能源发展的重要方向。固态流化开采是我国首创针对海底非成岩水合物安全绿色高效开采的一种新思路,二次破碎是水合物矿浆能否流化以及后续分离工艺能否顺利实施的关键。本文针对初次采掘回收后的水合物浆体颗粒,在岩土破碎理论的基础上,设计了一种管道内二次破碎的方法和装置。采用计算机仿真和实验相结合的方法,开展了装置刀齿数量、刀齿直径、刀杆转速等对二次破碎效果影响规律的研究,初步确定了能够满足固态流化和后续分离工艺要求的旋转切削式二次破碎装置的主要设计参数,为后续天然气水合物二次破碎装置的设计和优化奠定了基础。本文主要研究工作如下:(1)在国内外破碎原理和机构调研的基础上,结合固态流化开采工艺流程,本文提出了一种在输送管道内对水合物浆体进行旋转切削的二次破碎方法。在此方法的基础上,完成了二次破碎装置的结构设计和三维模型建立,并对其主要部件进行了强度校核。(2)基于固态流化试采工况,针对所设计的二次破碎装置,采用Fluent和EDEM耦合的方法,实现了对单刀盘破碎腔内旋转搅拌流体和颗粒运动规律的仿真分析,从而建立了 一套二次破碎装置性能评价的方法,为破碎腔内相关结构的参数优化提供依据。(3)在所建立仿真模型和分析方法的基础上,通过正交设计,开展了单刀盘一定转速下不同刀齿数目、刀齿直径、刀齿倾角等对流场运动规律的影响研究,结合对一组动静盘颗粒运动规律的研究,完成了二次破碎装置的结构优化。针对优化后的二次破碎装置结构参数,通过开展电机转速和破碎腔入口流速对颗粒运动速度和位置的影响规律研究,确定了该装置特定结构下的最优转速、流速范围,为固态流化工艺过程提供了技术和装备支撑。(4)为了验证所提出的破碎方法及装置的可行性,设计了一套二次破碎实验方案,并搭建了实验台架,开展了不同刀齿数目、刀盘数量、转速等条件下破碎率及破碎后粒径分布的实验研究。实验表明颗粒经过该二次破碎装置时单刀盘单次破碎率可达60%以上,破碎后颗粒粒径可以减小60%,验证了该破碎方法及装置可对水合物浆体中大颗粒进行有效破碎。且不同参数下的破碎率和粒径分布的变化规律与仿真结果基本保持一致,同时验证了仿真方法的正确性。综上所述,本文提出的水合物浆体二次破碎原理可行,所设计的二次破碎装置结构简单、破碎高效,优化后的二次破碎装置可以为水合物固态流化开采中浆体的流化和后续分离提供不同粒度分布的浆体。所建立的一套仿真模型和分析方法,为水合物固态流化开采中二次破碎装置的设计和优化提供新思路。