工业生产过程存在大量高温散料,比如钢铁生产流程中的高温烧结矿（～800℃）和红热焦炭（～1000℃）,这些散料余热的高效回收对工业节能降耗具有重要意义。由于散料颗粒的温度水平、粒径分布及堆积床层透气性等存在差异,余热回收方式各不相同。粒径不均匀且颗粒内部不透气的烧结矿主要采用气固叉流平动床结构的环冷机回收余热,受回收热量的品质限制,余热综合利用效率还有较大提升空间;透气性较好的焦炭可通过气固逆流竖式熄焦方式实现较充分的余热回收,结合热化学回收是进一步提高综合利用效果的主要途径。本文结合烧结矿和焦炭两种典型散料的颗粒特性,研究了不同堆积结构的气固换热规律,分析了平动和竖式床层余热回收的差异及改进方向,分别提出多级逆流串接平动床烧结矿余热回收和竖式废水煤气化熄焦新工艺,从气固换热机制、工艺能效、经济性等方面探讨了新工艺的可行性和优化方向。首先,根据烧结矿和焦炭颗粒的堆积床层特性,构建不同密实度、粒径偏析及考虑颗粒透气性的堆积结构,建立了颗粒堆积床层的气固换热模型,研究堆积特性对气固换热的影响。结果表明:对于均匀堆积结构,随雷诺数增加,体积换热系数先增大后趋于平稳,而床层压降呈指数增加,体积换热系数和床层压降均与堆积密实度呈正相关;对于粒径偏析堆积结构,因床层阻力分布不均,易造成气流偏流,使得气固换热及温度分布的更加不均匀;而当颗粒内部存在孔隙时,粒径偏析对床层内气流及气固换热不均匀性的影响明显减弱。进一步分析表明,对于颗粒粒径分布较宽的烧结矿等散料,采用竖式换热装置易造成料流粒径偏析,散料的冷却和余热回收效果难以保证,平动床结构仍是相对可靠的余热回收方式;对于焦炭等透气性较好的散料颗粒,即便在竖式装置内存在一定的料流粒径偏析,仍能保证相对较好的换热均匀性。其次,针对传统的平动床和竖式余热回收工艺,分别建立了描述床层内气固温度分布及床层压降的一维非稳态和稳态数学模型,定义了综合考虑回收（火用）和功耗的余热回收（火用）效率,以高温烧结矿余热回收为例,选取两种工艺的实际工程装备进行数值模拟,对比分析了平动和竖式工艺的能效差异。结果表明:在相同冷却温度（150℃）下,两种工艺的余热回收总量一致,但回收气体的温度水平和能级有显著差异,竖式工艺回收气体（火用）比平动工艺提高36%;竖式工艺料层厚度、气体平均温度及单位截面气体流率均较大,其风机功耗可达平动工艺的10.7倍;由于风机功耗远小于回收气体（火用）,竖式工艺的（火用）效率仍比平动工艺高出11%。在烧结矿传统平动床余热回收工艺基础上,提出了多级逆流串接平动床余热回收新工艺,通过气固换热数学建模和数值模拟,研究了不同串并联方式及串接级数对新工艺换热过程和综合能效的影响;基于某实际环冷机结构,设计了气流多级串接的改造方案,分析了设备漏风率对余热回收效果及经济性的影响。结果表明:随串接级数增多,回收气体（火用）先显著增加而后趋于平稳,风机功耗持续增加且增幅逐渐加大,这使得系统（火用）效率先增加后减小;当串接级数达到四级以上时,串接工艺的系统（火用）效率会小于无串接的传统工艺;在本文选定的若干计算工况中,系统（火用）效率在一级或二级串接时是最大的,比无串接工艺高出13-22%;若将某烧结厂420 m2环冷机改造为串接工艺,不同漏风率下的（火用）效率均在一级串接时达到最佳,最大可比传统工艺提高18%,工艺改造增量的投资回收期最少为0.67年。在传统干熄焦（CDQ）工艺的基础上,综合考虑焦化废水和焦炭粉尘的处理需求,提出了采用焦化废水作为冷却介质的竖式废水煤气化熄焦（CWGQ）新工艺;建立了熄焦炉内气固换热、相变及反应模型,对工艺热过程进行了数值模拟和参数分析,通过综合考虑系统（火用）收益和系统成本的双目标优化,获得了 CWGQ工艺的最优结构和操作参数,并与CDQ工艺进行了热经济性对比。结果表明:在净烟收益和总年成本权重相同的情况下,CWGQ工艺的最佳高径比、容积比、废水喷入量和蒸汽抽取率分别为0.267、0.723、0.239 t-water/t-coke和0.364;优化后的CWGQ工艺的净（火用）收益比CDQ高出38%,而总成本仅为CDQ的0.24倍;加大成本目标权重,有利于提高CWGQ工艺的净利润,其净利润可达到CDQ的1.41倍。本文提出的平动床多级串接工艺和竖式废水煤气化熄焦工艺以及相应的能效和经济性分析结果,可为不同颗粒堆积结构的高温散料余热高效回收提供新的思路和理论数据支撑。