我国是钢铁生产第一大国。利用转底炉直接还原(direct reduced iron,DRI)工艺对钢厂的含铁含锌尘泥等固体废弃物进行资源化回收处理,生产还原铁球团作为高级炼钢原料,减轻对环境、生态、资源和能源的压力,具有深远的社会效益。冷却是还原铁球团生产工艺的重要工序,现有冷却方法具有换热效率低,设备规模大和能耗高等缺点,本文对常用的转筒冷却机间接换热过程进行研究,旨在寻求更快的冷却方式,提高冷却效率从而减小传热面积,缩小设备规模和占地面积,降低一次投入和运营成本,实现节能降耗。论文的主要研究工作如下:(1)分析了转筒冷却机内料床的传热机理,在此基础上基于DEM离散元与传热模型耦合方法对无内部结构转筒的换热特性进行了研究,提出了表观传热速率和有效传热系数,用以表征料床的换热性能。分析了基于导热为主的传热机制下转速,填充率,壁面温度,颗粒粒径、导热率、颗粒形状和粒径分布等参数对传热过程的影响,发现增大转速,降低填充率,缩小粒径或增大颗粒热导率都能增大表观传热速率,促进传热。壁面温度越高,传热越快。对于球形与非球形颗粒,发现颗粒横纵比增大对传热形成阻碍作用。对比颗粒粒径分布,发现正态分布相比于均一分布更有利于传热。(2)在无内部结构转筒冷却机基础上,对有内部结构转筒的换热特性进行了研究,旨在通过增设筒体内部结构实现加快传热的目的。研究了直型和L型导热板等内设结构对筒内传热的影响,分析了包括筒体操作条件和结构参数变化带来的效果,发现导热板在增加换热面积的同时也能改变颗粒物料运动轨迹,达到促进换热的目的。在对比研究混合性能和传热性能基础上,对筒内换热过程的传热机理进行了研究,发现基于颗粒流动和基于传热面积变化两种机制,同时分析混合与传热过程的关系,发现通过加快混合而促进传热需要满足一定条件。(3)为了加快筒体外部冷却效率,提出利用喷雾冷却作为换热方式构成喷雾式转筒冷却机用于冷却还原铁球团的新方法。基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)建立外壁大尺度喷雾冷却过程耦合传热模型进行数值模拟研究。对于单喷嘴喷雾冷却过程,研究了喷雾压力,喷雾高度,冷却水温和壁面温度对冷却性能的影响,利用田口正交试验方法比较了各参数的重要性,为优化和改进提供指导。在此基础上,研究了多喷嘴喷雾冷却系统下喷嘴布置参数对换热性能的影响。开展了大尺度喷雾冷却的原型试验研究,验证了数值模拟结果以及开发还原铁喷雾式转筒冷却机的可行性。(4)创新性地开展了基于转筒内设结构和筒外喷雾冷却相结合的快速冷却方法在还原铁球团生产上的工业实践。应用表明,这种组合快速冷却方法相比于原有冷却技术其冷却效率显著提高,设备规模减小了54%,冷却面积降低了60%以上,用水量只占原来的1/3~1/4,能耗减小了55%以上,且因快速冷却方法的实现,大幅提高了其生产效率。同时基于两例相同规模工业生产线,进行优化对比,进一步验证研究成果的正确性。