日產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)熟料煅燒技術(shù)與裝備
高長(zhǎng)明
當(dāng)代世界水泥工業(yè)中，熟料煅燒能力單線(xiàn)達(dá)到日產(chǎn)3000～5000噸的就可謂大型，7500～10000噸的當(dāng)屬超大型。按2003年的粗略統(tǒng)計(jì)，全球約20億噸的水泥產(chǎn)量中，大型和超大型生產(chǎn)線(xiàn)所生產(chǎn)的水泥分別為14%和4%左右。雖然它們?cè)谒嗫偖a(chǎn)量中所占的比例還不到1/5，但是它們卻代表了世界水泥工業(yè)的發(fā)展方向和中堅(jiān)力量。因?yàn)樗鼈兌疾捎昧俗钕冗M(jìn)的技術(shù)與裝備，充分利用和節(jié)約資源與能源，特別注重環(huán)境保護(hù)，均屬環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展型綠色生產(chǎn)線(xiàn)。我國(guó)近2～3年來(lái)新建成投產(chǎn)的50余條日產(chǎn)熟料4000～5000噸以上的生產(chǎn)線(xiàn)，按通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)衡量，絕大多數(shù)已達(dá)到清潔生產(chǎn)的水平，主要是在替代天然礦物燃料---可燃性廢棄物的處置利用方面距離綠色生產(chǎn)水平還有較大差距，亟需全社會(huì)各方面的協(xié)調(diào)逐步實(shí)現(xiàn)之。
現(xiàn)今我國(guó)水泥工業(yè)中，日產(chǎn)熟料5000噸左右的大型裝備及其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，先進(jìn)可靠?？傮w而言，這樣的生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)該成為我國(guó)水泥工業(yè)發(fā)展的主流。事實(shí)上也正是這樣穩(wěn)步地發(fā)展之中。所謂超大型的生產(chǎn)線(xiàn)，目前看來(lái)它應(yīng)該是一種反映我國(guó)水泥工業(yè)技術(shù)與裝備水平和實(shí)力的標(biāo)志，其象征性意義尤為顯著。故而更加吸引世人的眼球，引起廣泛關(guān)注。
本文僅就超大型水泥熟料煅燒技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀及其發(fā)展作一簡(jiǎn)介，與業(yè)界同仁共研討。
一、萬(wàn)噸級(jí)（7500～1000tpd）熟料煅燒技術(shù)與裝備的發(fā)展簡(jiǎn)況
作為水泥熟料預(yù)分解煅燒技術(shù)與裝備大型化和超大型化先驅(qū)的丹麥?zhǔn)访芩构?990年分別與泰國(guó)的暹羅水泥公司（SCC）和暹羅京都水泥公司（SCCC）簽署合同，分別為位于考翁和塔珀克旺新建的10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)提供全套熟料煅燒裝備，即預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、排風(fēng)機(jī)，等等。這兩條10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)于1992年先后投入正常生產(chǎn)，是世界上第一條（考翁）和第二條（塔珀克旺）投產(chǎn)的10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)。
這是現(xiàn)代水泥工業(yè)邁向超大型化的一個(gè)飛躍，因?yàn)楫?dāng)時(shí)國(guó)際上已投產(chǎn)的4000tpd左右的生產(chǎn)線(xiàn)都不多，據(jù)說(shuō)僅有10余條線(xiàn)，而且生產(chǎn)時(shí)間最長(zhǎng)的也只有4～5年。這一步跨越到10000tpd并取得成功，實(shí)屬不易。因市場(chǎng)需求刺激，1994年在泰國(guó)塔珀克旺又?jǐn)U建了1條10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)。這也是史密斯提供的世界第三套10000tpd熟料煅燒全套裝備，并根據(jù)前兩套的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。
1995年泰國(guó)暹羅水泥公司曾決定在考翁擴(kuò)建一條15000tpd生產(chǎn)線(xiàn)，1996年史密斯公司完成了該線(xiàn)熟料煅燒裝備的設(shè)計(jì)，后因1997年的亞洲金融危機(jī)，該項(xiàng)目未能實(shí)現(xiàn)。
1990～2001年間，史密斯公司（含1997年兼并的美國(guó)前Fuller公司）為泰國(guó)、印尼、巴西、印度、波蘭等國(guó)家提供了7000~10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)的熟料煅燒全套裝備約15套。
1991～1999年間，德國(guó)伯力休斯公司為泰國(guó)、印尼、韓國(guó)、中國(guó)等提供了7000～8500tpd生產(chǎn)線(xiàn)的熟料煅燒裝備近10套。
上世紀(jì)90年代，德國(guó)洪堡公司、日本三菱、川崎和宇部等公司為沙特、日本、中國(guó)臺(tái)灣等提供了7000～8500tpd生產(chǎn)線(xiàn)的熟料煅燒裝備大概有6套左右。
1999年瑞士霍爾西姆水泥公司曾決定在美國(guó)米蘇里州圣魯易士城附近新建一條12000tpd生產(chǎn)線(xiàn)，經(jīng)歷了嚴(yán)格而漫長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境審核與激烈的技術(shù)與商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，2001年伯力休斯公司與業(yè)主草簽了該項(xiàng)目的供貨合同，然而卻遭遇廠(chǎng)址附近社區(qū)大眾的強(qiáng)烈反對(duì)，加之美國(guó)經(jīng)濟(jì)當(dāng)時(shí)不太景氣，致使該項(xiàng)目成為懸案。直到2004年春季，霍爾西姆水泥公司終于和社區(qū)公眾以及美國(guó)環(huán)境局達(dá)成了諒解備忘錄，業(yè)主方應(yīng)允了一系列苛刻的環(huán)境承諾。屆時(shí)正值美國(guó)水泥供應(yīng)開(kāi)始出現(xiàn)嚴(yán)重緊缺，于是業(yè)主宣告該項(xiàng)目重新啟動(dòng)。鑒于對(duì)生態(tài)環(huán)保更嚴(yán)格的需求，這次業(yè)主正在邀請(qǐng)更多的水泥裝備和環(huán)保裝備供應(yīng)商進(jìn)行廣泛深入的議標(biāo)程序，該項(xiàng)目的各個(gè)分項(xiàng)，誰(shuí)能中標(biāo)，尚需拭目以待。
2002年，中國(guó)海螺水泥集團(tuán)在銅陵A、B，樅陽(yáng)，徐州和池州等地有4條10000tpd和1條8000tpd生產(chǎn)線(xiàn)的熟料煅燒裝備進(jìn)行了國(guó)際招標(biāo)，使國(guó)際水泥界和諸多世界一流的水泥裝備供應(yīng)商頗感震驚和喜悅。最后史密斯公司和伯力休斯公司各得了2條10000tpd的訂單，另一條8000tpd的歸伯力休斯。一時(shí)間，中國(guó)海螺集團(tuán)成為這兩家世界頂級(jí)水泥裝備公司的“最佳合作伙伴”。國(guó)際水泥界開(kāi)始對(duì)中國(guó)水泥工業(yè)刮目相看了。因?yàn)楫?dāng)時(shí)世界上總共僅有3條10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)均在泰國(guó)，而中國(guó)海螺竟然一口氣就要建4條10000tpd線(xiàn)，的確令人驚喜。更具說(shuō)服力的事實(shí)是，2004年間已經(jīng)有和即將有3條10000tpd線(xiàn)相繼投入了正常生產(chǎn)，充分體現(xiàn)了我國(guó)水泥工業(yè)向大型化邁進(jìn)的整體水平與素質(zhì)。
根據(jù)筆者的不完全統(tǒng)計(jì)，截止2004年底，全世界已投產(chǎn)和計(jì)劃投產(chǎn)的2000tpd以上的預(yù)分解窯約有460條生產(chǎn)線(xiàn)，水泥總生產(chǎn)能力達(dá)8.8億t/a,其中中國(guó)大陸占有約280條,水泥生產(chǎn)能力達(dá)4.8億t/a。詳見(jiàn)表1所列。
表1 世界2000tpd以上PC窯生產(chǎn)線(xiàn)不完全統(tǒng)計(jì) 2004.12.31截止
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熟料生產(chǎn)能力 tpd |
2000～4000 |
4000～7000 |
7000～8500 |
10000 |
合計(jì) |
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生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)目
水泥生產(chǎn)能力 （億 t/a） |
280～300
～4.5 |
115～125
～3.0 |
28～32
～1.0 |
6
～0.24 |
～460
～8.8 |
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其中中國(guó)大陸占有生產(chǎn)線(xiàn)數(shù)目
水泥生產(chǎn)能力（億 t/a） |
～215
～3.16 |
～60
～1.4 |
2
0.06 |
3
0.12 |
～280
～4.8 |
二、萬(wàn)噸級(jí)熟料煅燒裝備的配置
萬(wàn)噸級(jí)熟料煅燒裝備的配置恰當(dāng)與否，對(duì)于其生產(chǎn)操作的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有決定性作用，各家公司都在總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)摸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上積累了一定的技術(shù)訣竅，能夠根據(jù)各有關(guān)客戶(hù)原燃料的具體情況和要求優(yōu)化設(shè)計(jì)配置預(yù)熱器、分解爐、管道、回轉(zhuǎn)窯和燃燒器等裝備。實(shí)際上在選型的過(guò)程中是具有一定的靈活性的，隨具體情況的不同可以在一定的范圍內(nèi)有所變化。這里所介紹的是一些較典型的配置，如表2所列。
表2 萬(wàn)噸級(jí)熟料煅燒裝備的典型配置
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史密斯公司 |
伯力休斯公司 | ||
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10000tpd |
7500tpd |
10000tpd |
7500tpd | ||
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系統(tǒng)性能保證 |
熟料產(chǎn)量（tpd）
熟料熱耗（kJ/kg）
CI出口溫度(°C)
CI出口壓力(Pa)
CI出口含塵(g/Nm³)
CI出口NOx(mg/Nm³) |
10000
710 × 4.18
310
5000
85
550 |
7500
698 × 4.18
285
5150
85
550 |
10000
710 × 4.18
310
5000
65
650 |
7500
698 × 4.18
285
5100
70
650 |
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預(yù)熱器 |
組合型式 |
5級(jí)雙列 |
6級(jí)雙列 |
5級(jí)雙列 |
6級(jí)雙列 |
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C1（mm）
C2（mm）
C3（mm）
C4（mm）
C5（mm）
C6（mm）
C1 收塵效率（%）
預(yù)熱器出口廢氣量（Nm³/kg.cl.） |
2-ø7800
2- ø7800
2- ø8200
2- ø8500
2- ø8500
_____
94
1.37 |
2- ø7200
2- ø7200
2- ø7500
2- ø7500
2- ø7500
2- ø7500
95
1.33 |
4- ø7900
2- ø8690
2- ø9180
2- ø9690
2- ø9690
_____
96
1.34 |
4- ø6340
2- ø7800
2-ø8230
2- ø8230
2- ø8230
2- ø8230
97
1.31 | |
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ID風(fēng)機(jī)
風(fēng)溫（°C）
風(fēng)量（m³/h）
風(fēng)壓（Pa） |
310
2 × 792000
-7070 |
290
2 × 525000
-6100 |
310/450
2 × 774000
-7300 |
290/420
2 × 567000
-7600 | |
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預(yù)熱器結(jié)構(gòu)特點(diǎn) |
三心大蝸殼 |
三心大蝸殼 |
斜頂偏心內(nèi)筒 |
斜頂偏心內(nèi)筒 |
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預(yù)熱器塔架尺寸（m）
地面到塔架頂層高度（m） |
～21×40×100
～140 |
|
～(18+8)×34×100
～150 |
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分解爐 |
型式 |
ILC-5.2低NOX在在線(xiàn)噴騰型 |
SLC-S
離線(xiàn)噴騰型 |
Prepol MSC
在線(xiàn)管道型 |
Prepol AS-CC
在線(xiàn)管道型 |
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規(guī)格(m)
數(shù)量
有效容積(m³)
氣體停留時(shí)間(S)
主截面風(fēng)速(m/s)
入窯物料分解率(%)
爐內(nèi)喂煤比例(%)
噴煤管型式
噴煤方式及數(shù)量
物料入爐方式
三次風(fēng)進(jìn)風(fēng)方式 |
Ø8.8,柱長(zhǎng)38
1
2090
爐3.3管道1.0
11．5
90-95
60
單通道
一層四點(diǎn)（錐部）
兩層四點(diǎn)
兩層二點(diǎn) |
Ø8 × 17
1
1250
4
12.3
90-95
60
單通道
一層兩點(diǎn)（錐部）
兩層三點(diǎn)
一層一點(diǎn) |
主爐Ø7.64；全高85
1
3403
5.6
15.0
90-95
爐50，煙室10
雙通道
兩層三點(diǎn)（煙室1，爐2）
兩層四點(diǎn)
兩層三點(diǎn)
（爐下2，爐上1） |
1
2380
4.2
15.0
90-95
60
雙通道 | |
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結(jié)構(gòu)特點(diǎn) |
結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，爐中部帶縮口，爐與C5采用直接管道接口 |
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結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，管道型分解爐，頂部帶反射室 |
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回轉(zhuǎn)窯 |
規(guī)格(m)
長(zhǎng)徑比
斜度(%)
托輪座
擋輪座
主電機(jī)(kw)
輔助傳動(dòng)(kw)
窯轉(zhuǎn)速(rpm)
調(diào)速方式
窯頭尾密封型式
窯內(nèi)火磚厚度(mm) |
Ø6×95
15.83
4
3
2
2× 950
2×55
5.0(max.)
變頻
彈簧片
220 |
Ø5.5×87
15.82
4
3
2
2×630
變頻
彈簧片
220 |
Ø6.4/6.0×90
15.0
4
3
2
2×845
2×50
3.5(max.)
變頻
汽缸摩擦
250 |
Ø5.6×87
15.53
3.5
3
2
2 ×720
變頻
汽缸摩擦
250 |
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窯燃燒器 |
型號(hào) |
Duoflex |
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通道數(shù)
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2（軸流風(fēng)和旋流風(fēng)在噴出前預(yù)混合，實(shí)際為三通道） |
2（軸流風(fēng)和旋流風(fēng)在噴出前預(yù)混合，實(shí)際為三通道） |
3 |
3 | |
|
火焰調(diào)節(jié)方式 |
蝸輪調(diào)節(jié)外管伸縮，改變噴咀面積 |
|
風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)或螺焊調(diào)節(jié)內(nèi)外管伸縮 |
風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)或螺焊調(diào)節(jié)內(nèi)外管伸縮 | |
|
燃燒推動(dòng)力（m/s.%）
一次風(fēng)比例(%) |
1800
6-8 |
1800 |
1600
10 |
1600 | |
因?yàn)槿f(wàn)噸級(jí)熟料煅燒裝備的預(yù)熱器是雙列的，所以在市場(chǎng)需求縮減時(shí)，還可以采用單列預(yù)熱器進(jìn)行生產(chǎn)，相應(yīng)地熟料產(chǎn)量將減少一半，仍可實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。 茲以史密斯公司的10000tpd系統(tǒng)為例，分別列舉其在10000tpd，5000tpd和11000tpd生產(chǎn)情況下的主要操作技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)值，如表3所示。
表3 史密斯10000tpd系統(tǒng)在不同產(chǎn)量時(shí)的主要生產(chǎn)操作參數(shù)（設(shè)計(jì)值）
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系統(tǒng)產(chǎn)量 （tpd） |
10000 |
5000
預(yù)熱器單列生產(chǎn) |
11000 |
|
窯燃燒帶截面負(fù)荷(GJ/h.m³)
窯內(nèi)容積負(fù)荷(tpd/m³)
C1出口壓力(Pa)
C1出口風(fēng)溫(°C)
C1出口風(fēng)量(kg/kg.cl)
爐出口風(fēng)速(m/s)
爐內(nèi)氣體停留時(shí)間(s)
二次風(fēng)量(kg/kg.cl)
二次風(fēng)溫(°C)
三次風(fēng)量(kg/kg.cl)
三次風(fēng)溫((°C)
ID 風(fēng)機(jī)凈耗(KW)
ID風(fēng)機(jī)單位電耗(KWh/t.cl)
熟料單位熱耗(KJ/kg.cl) |
4.8×4.18
4.3
-5040
310
1.976
11.6
3.3
0.396
1212
0.681
905
2×1133
5.44
705.9×4.18 |
2.6×4.18
2.2
-4970
323
2.037
6.0
6.3
0.434
1199
0.686
875
1161
5.57
741.0×4.18(°C) |
5.2×4.18
4.8
-6050
312
1.967
12.7
3.0
0.390
1213
0.680
910
2×1483
6.47
700.7×4.18 |
由此可知，原設(shè)計(jì)的10000 tpd系統(tǒng)，預(yù)熱器單列生產(chǎn)時(shí)，熟料產(chǎn)量減少一半的同時(shí)，熟料熱耗將上升35 ×4.18KJ/kg.cl，ID風(fēng)機(jī)的單位電耗則增加很少。相反地，當(dāng)熟料產(chǎn)量提高到11000 tpd時(shí)，其熱耗僅降低了6 ×4.18 KJ/kg.cal，ID風(fēng)機(jī)電耗卻上升了1 KWh/t。當(dāng)然這些數(shù)值只是提供一個(gè)趨勢(shì)性的參照，具體數(shù)據(jù)還應(yīng)以各客戶(hù)的正常生產(chǎn)實(shí)踐為準(zhǔn)。
三、對(duì)萬(wàn)噸級(jí)熟料生產(chǎn)線(xiàn)的若干見(jiàn)解
水泥是大宗建材，顯然應(yīng)該進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)。但是單線(xiàn)生產(chǎn)能力達(dá)到10000tpd級(jí)時(shí)，它對(duì)市場(chǎng)需求的適應(yīng)性和靈活性將會(huì)表現(xiàn)出一定的缺陷，所以我們應(yīng)該在經(jīng)濟(jì)技術(shù)收益最佳的前提下，正確選擇最適宜的熟料單線(xiàn)生產(chǎn)能力，作為我國(guó)水泥工業(yè)邁向新型工業(yè)化道路的主流裝備。
當(dāng)前，預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)技術(shù)在預(yù)均化、生料粉磨、熟料煅燒、熟料冷卻、水泥粉磨以及物料儲(chǔ)運(yùn)和收塵等裝備方面，其大型化和超大型化程度已發(fā)展到了接近于極限。以10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)為例，生料立磨就必須采用2臺(tái)，即兩臺(tái)5000tpd的生料立磨配一臺(tái)10000tpd的窯系統(tǒng)，所謂兩磨一窯方案。如欲實(shí)現(xiàn)一磨一窯，則生料磨的產(chǎn)量必需達(dá)到800t/h左右，其磨盤(pán)直徑約Ø7m，裝機(jī)6600KW以上。設(shè)計(jì)制造這樣超大規(guī)格的立磨及其減速機(jī)，技術(shù)難度很大，經(jīng)濟(jì)合理性如何，仍是一個(gè)大問(wèn)號(hào)。此外10000tpd級(jí)的熟料蓖冷機(jī)和回轉(zhuǎn)窯也已接近各自的極限了。
我國(guó)已有近30條5000tpd生產(chǎn)線(xiàn)成功投產(chǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，它們都是采用一磨一窯方案的，技術(shù)先進(jìn)成熟。與兩磨一窯的10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)相比，兩者的熟料熱耗(710×4.18KJ/kg.cl)，從預(yù)均化堆場(chǎng)到熟料庫(kù)的電耗（56KWh/t.cl），燒成電耗（20kwh/t.cl）等技術(shù)指標(biāo)均相差無(wú)幾；而噸投資、噸設(shè)備重量、噸裝機(jī)容量等技經(jīng)指標(biāo)也很相近。說(shuō)明在現(xiàn)有的客觀(guān)條件之下，5000tpd級(jí)比10000tpd級(jí)的生產(chǎn)線(xiàn)具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，適應(yīng)性更廣泛。
所以，只有在市場(chǎng)需求旺盛，潛力巨大，原燃料資源豐富，能源供應(yīng)有保障，交通運(yùn)輸較方便的地區(qū)，可以考慮興建10000tpd生產(chǎn)線(xiàn)。多數(shù)情況下，我國(guó)水泥工業(yè)仍以興建2500～5000tpd級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)為宜。作為水泥生產(chǎn)大國(guó)走向生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志和象征，我國(guó)應(yīng)該興建若干10000tpd級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)。這對(duì)于提高我國(guó)水泥工業(yè)機(jī)器裝備的國(guó)際知名度，展示技術(shù)實(shí)力，樹(shù)立品牌形象，增強(qiáng)全球化競(jìng)爭(zhēng)力是十分有利的。這的確是一項(xiàng)英明果敢的決策。我們相信這些新投產(chǎn)的10000tpd級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)必將獲得圓滿(mǎn)成功，祈望早日達(dá)到世界最佳水平。
另外一個(gè)可能比較具有較高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展?jié)摿Φ膯尉€(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模，就是一磨一窯的6000~7000tpd左右的生產(chǎn)線(xiàn)。其前提是生料立磨的單臺(tái)產(chǎn)量能滿(mǎn)足窯系統(tǒng)的需求。即生料立磨的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量約為500噸，其磨盤(pán)直徑為6m左右，裝機(jī)功率5000KW。這樣規(guī)格的生料立磨是現(xiàn)今最大型的，已經(jīng)售出的只有3臺(tái)，而且均未投產(chǎn)。如果獲得成功的話(huà)，那么一磨一窯6000~7000tpd的生產(chǎn)線(xiàn)，其噸投資、噸設(shè)備重量、噸裝機(jī)容量等技經(jīng)指標(biāo)可能會(huì)略?xún)?yōu)于5000tpd級(jí)的，從而具有稍強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，例如我國(guó)在建的魯南青州和海德堡一越秀等≥6000tpd生產(chǎn)線(xiàn)那樣，尚有待2005年投產(chǎn)后的實(shí)踐檢驗(yàn)之。
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