相对于其他常见的粗煤泥分选设备,螺旋分选机具有能耗低、效率高、运行成本低等特点,但分选密度较高,通常在1.6 g/cm3以上,目前多用于动力煤选煤厂及部分可选性较好的炼焦煤选煤厂。由于螺旋分选机流态的复杂性和检测手段的局限性,以往螺旋分选机流场分布特征的研究还不够深入,螺旋分选机流场分布及颗粒分选行为缺乏理论指导和有效的调控手段。本文综合动力学分析、数值模拟及半工业分选试验,阐明了螺旋分选机流场分布特征,揭示了颗粒分层--分带的动力学条件,重点分析了螺旋槽横截面形状、横向倾角和距径比对螺旋分选机流场分布特征及颗粒运动行为的影响规律,提出螺旋分选机分选密度的调控手段。本文主要结论如下:(1)基于槽体几何特性建立自然坐标系,从理论上得出螺旋分选机流场特征与数值模拟结果一致,计算的流膜厚度、模拟的流膜厚度与实测的流膜厚度相一致;综合理论计算和数值模拟结果可知:在清水流场中,流膜厚度、切向速度、压强梯度沿径向由内至外逐渐增加,靠近外缘时达最大值;径向速度相对切线速度较小,沿流膜厚度方向,下层流体径向速度指向中心轴,上层流体径向速度远离中心轴,上/下层流体径向速度均随径向距离的增加而增加;增大沿流膜厚度方向的切线速度差或者压强梯度可以增大径向速度;(2)径向速度与切线速度的比值(vr/vt)可以用来表征水流径向推力和离心力的相对大小,比值越大,颗粒受径向环流作用越强,在相同槽面结构下,槽底颗粒越容易向内缘聚集;椭圆型槽面vr/vt较大,径向环流作用较强;立方抛物线槽面vr/vt较小,径向环流作用较弱;内缘立方抛物线外缘椭圆型的复合型槽面,vr/vt介于椭圆型槽面和立方抛物线型槽面之间;基于复合型槽面,vr/vt值随横向倾角的增大而增大,随距径比的增大而减小;(3)基于欧拉-欧拉-拉格朗日算法,采用Wen-Yu曳力模型计算流体对颗粒的作用力,实现了颗粒在螺旋槽中运动规律的数值仿真,模拟结果与试验规律一致:立方抛物线和复合型槽面更易于高密度颗粒向内缘区聚集;降低横向倾角、增大距径比将促使颗粒更多地向外缘区运动;(4)基于6台不同结构参数螺旋分选机的半工业分选试验,粗煤泥螺旋分选过程可分为粗选阶段和精选阶段;粗选阶段,约为3圈,矿浆进入螺旋槽后,经过第一圈分选,72%以上的+1.8 g/cm3颗粒进入内缘区,84%以上的-1.4 g/cm3颗粒聚集在外缘区;随后两圈,聚集在内缘区的+1.8 g/cm3颗粒增加到96%以上,聚集在外缘区的-1.4 g/cm3颗粒增加到90%以上,轻重颗粒初步实现分选,但1.4～1.8 g/cm3中间密度颗粒在外缘与-1.4 g/cm3颗粒混杂较明显;精选阶段,约为2圈,中间密度(1.4～1.8 g/cm3)颗粒进一步向内缘运动,内缘区+1.8 g/cm3颗粒分布率几乎不变,外缘区-1.4g/cm3颗粒分布率有微弱增加;(5)距径比和横向倾角不变时,+1.8 g/cm3颗粒在椭圆型、立方抛物线型和复合型槽面最内缘的分布率分别为71%、81%、87%,说明复合型槽面对矸石颗粒富集效果较好;-1.4 g/cm3颗粒在椭圆型、立方抛物线型和复合型槽面最外缘的分布率分别为74%、51%、40%,说明椭圆型槽面易于将-1.4 g/cm3颗粒向外缘聚集;(6)针对复合型槽面,适当增大横向倾角,或降低距径比,都有利于促进中高密度颗粒向内缘运动的趋势;当横向倾角由15°增大到17°,+1.6 g/cnm3颗粒在内缘区的分布率增加了 28%;当距径比由0.4降低至0.34,+1.6 g/cm3颗粒在内缘区的分布率增加了 34%;(7)针对范各庄选煤厂1～0.25mm的粗煤泥,0.34距径比、15°横向倾角的复合型槽面是优化后的结构参数,在粗选阶段预排矸,结合中煤再选工艺,分选密度可降低至1.543 g/cm3,此时E值0.121,I值0.223,相较于采用传统参数的椭圆型槽面和立方抛物线槽面煤用螺旋分选机,在精煤灰分要求相当的情况下,分选效率分别提高了 19.41%,13.11%。