固体散料颗粒无序堆积床内的能量传递和余能回收及利用是钢铁生产“铁前”工艺中烧结/球团和干熄焦的基本过程，研究固体散料颗粒无序堆积床内的流动与传热机制、相关优化方法和先进余能回收利用技术，不仅对于提高烧结/球团过程余能回收率有重要意义，而且对于整个钢铁生产过程的节能降耗都影响深远。本文分别从机理层面的烧结矿颗粒无序堆积床对流传热特性及关联式拟合、整机层面的环式冷却机内烧结矿颗粒固体散料无序堆积床冷却过程余能梯级利用数值分析及其多目标优化，以及系统层面的烧结矿冷却过程显热低温余能利用有机朗肯循环发电系统进行研究。主要的研究工作如下：
(1)　采用萘升华技术测量了烧结矿颗粒固体散料无序堆积床的对流传热系数，并在此基础上获得了新的传热关联式。结果表明，规则球形颗粒无序堆积床的压降实验结果与传热实验结果分别与Ergun公式和Wakao公式吻合良好；当考虑烧结矿颗粒的几何因素后，烧结矿颗粒无序堆积床的压降实验结果与Ergun公式符合良好；烧结矿颗粒无序堆积床的Nu整体高于Wakao公式的预测值，说明与规则球形颗粒相比，烧结矿颗粒表面的不规则性加剧了冷却空气与堆积床间的热交换；分别基于Wakao公式的型式和考虑几何因素的型式，采用了遗传算法对烧结矿颗粒无序堆积床的传热性能进行了拟合并得到了相应的传热关联式，结果表明本研究得到的传热关联式精度远高于Wakao公式。
(2)　采用Brinkman-Forchheimer扩展Darcy模型和局部非热平衡模型，基于热力学第一定律和第二定律，对环冷机内烧结矿颗粒无序堆积床的余能梯级利用展开数值研究。结果表明，通过增加料层厚度、提高台车移动速度、增大烧结矿热流量及减少环冷机前半段冷却空气流量都可以使冷却废气温度升高；通过增加料层厚度、提高台车移动速度、增大烧结矿热流量有利于同时提高烧结矿余能利用量和冷却废气余能利用有效能，而不同冷却空气流量排布不能使烧结矿余能利用量和冷却废气有效能同时提高；首次提出除了提高料层厚度外，提高台车移动速度也可以达到同时提高废气余能利用量和废气可用能的效果。
(3)　建立了烧结矿颗粒无序堆积床的经济学成本模型，同时对等效年总成本进行了参数化分析，基于改进的遗传规划方法，对烧结矿颗粒固体散料冷却过程余能梯级利用的数值模拟结果进行了符号回归，基于以上两个目标函数进行多目标优化。结果表明，冷却空气流量、料层厚度和台车移动速度的增加都会使得等效年总成本增加，且存在潜在最优固体散料堆积床长度；基于NSGA-II算法，得到了Pareto最优前沿的最优解，并且在设计条件下，综合考虑烧结矿固体散料显热余能利用量和烧结矿固体散料显热可用能与等效年总成本的多目标优化结果，给出冷却空气流量、固体散料厚度和台车移动速度等最优决策变量的取值范围分别为400　kg?s-1、0.8-1.0　m和0.020-0.022　m?s-1。
(4)　设计了一种基于有机工质的低温余能利用系统，确定了由烟气余能利用换热器、蓄热系统和有机朗肯循环发电系统组成的，以烧结余能为热源的余能利用系统，在此基础上建立了数学模型，并进行了参数化分析。结果表明，不同工质下，随着汽轮机进口温度的增加，ORC系统循环效率增大；在不同工质各自压力变化范围内，随着汽轮机进口压力的增加，系统效率增大；随着冷凝温度的增加，系统效率减小；基于其热力学性能、安全性和环保性，通过将四种工质进行比较发现，R245fa和R123更适合本研究建立的系统；综合看来，本文建立的低温余能利用系统可在烧结热源出现一定范围内波动时运行良好。