曹輝輝
(陜西北元集團(tuán)水泥有限公司,陜西 榆林 719319)
近年來世界水泥工業(yè)迅猛發(fā)展,新型干法水泥的生產(chǎn)已經(jīng)成為主導(dǎo),而且正在向大型化、高效化發(fā)展。概括其有三大特點(diǎn):一是以懸浮預(yù)熱技術(shù)和預(yù)分解技術(shù)為核心;二是將數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于原料的破碎和預(yù)均化、生料的粉磨和均化、熟料的煅燒及水泥粉磨等生產(chǎn)的全過程;三是使水泥的生產(chǎn)成為高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)約能源、清潔生產(chǎn)和符合環(huán)保要求的現(xiàn)代化綠色產(chǎn)業(yè)[1]。
近幾年,與生產(chǎn)pvc的化工企業(yè)配套的電石渣水泥生產(chǎn)線逐步發(fā)展起來,技術(shù)到目前相對成熟,如吉林化工廠、天津化工廠、貴州有機(jī)化工總廠、山西省化工廠、新疆天業(yè)等,有的在70年代就建成工業(yè)規(guī)模裝置,專有一條水泥生產(chǎn)線消化電石廢渣。電石渣是電石水解獲取乙炔氣后的以氫氧化鈣為主要成分的廢渣。乙炔(C2H2)是基本有機(jī)合成工業(yè)的重要原料之一,以電石(CaC2)為原料,加水(濕法)生產(chǎn)乙炔的工藝簡單成熟,至今已有60余年工業(yè)史,目前在我國仍占較大比重。1t電石加水可生成300多kg乙炔氣,同時(shí)生成10 t含固量約12%的工業(yè)廢液,俗稱電石渣漿,呈堿性,如果露天堆積,會對周圍環(huán)境造成污染,耕地受到嚴(yán)重破壞。
利用電石渣生產(chǎn)水泥不僅處理了電石渣這個(gè)“污染物”,而且會減少CO2的排放,我公司年產(chǎn)100萬噸的聚氯乙烯項(xiàng)目配套兩條3000t/d熟料的新型干法水泥生產(chǎn)線,有著成本低、規(guī)模大、政府支持補(bǔ)貼的優(yōu)勢。
我國早期電石渣生產(chǎn)線主要以濕法為主,而且規(guī)模在1000t/d左右,2007年以后,新型干法電石渣生產(chǎn)線發(fā)展較快,先后有新疆天業(yè)、內(nèi)蒙古伊利冀東等,規(guī)模也在逐步擴(kuò)大,目前4600t/d熟料、5000t/d熟料的生產(chǎn)線不斷涌現(xiàn)。乙炔生產(chǎn)有濕法與干法兩種,與之對應(yīng)的水泥生產(chǎn)線也有濕電石渣與干電石渣之分,濕電石渣漿通過壓濾后的水份一般在30%~40%左右,干電石渣的水份在3%~10%左右。濕電石渣由于水份較大,輸送與烘干是難題,干電石渣中由于存在反應(yīng)不完全的現(xiàn)象,在儲存、輸送中容易爆炸,這在我國幾個(gè)企業(yè)就發(fā)生過,所以難題就是防爆、粉塵收集與處理。
陜西北元集團(tuán)水泥有限公司成立于2009年9月12日,是陜西北元化工集團(tuán)的全資子公司。廠址位于神木錦界工業(yè)園南區(qū),占地400畝,總投資7.6億元,設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)通用硅酸鹽水泥240萬噸,硅酸鹽水泥熟料180萬噸,是北元集團(tuán)化工、電廠配套項(xiàng)目,屬于國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)、資源綜合利用低碳型建材企業(yè)。項(xiàng)目以化工100萬噸/年P(guān)VC裝置所產(chǎn)生的電石渣,電廠排出的粉煤灰、爐渣為原材料,電石渣100%代替石灰石,不僅純度高、鈣含量大,而且粉磨、煅燒能耗低,每年可減排二氧化碳?xì)怏w100萬噸,可降低溫室氣體給人類帶來的災(zāi)害。產(chǎn)品有普通硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、復(fù)合硅酸鹽水泥等系列,規(guī)格有P.O52.5R、52.5、42.5R、42.5、P.F32.5R、32.5、P.C42.5R、42.5不同等級強(qiáng)度水泥,充分滿足了客戶需求,實(shí)現(xiàn)資源綜合利用,節(jié)能減排,帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會效益雙豐收。其中一期50萬噸聚氯乙烯為濕法乙炔生產(chǎn),二期50萬噸為干法乙炔生產(chǎn),這里主要研究的是一期濕法乙炔生產(chǎn)線。
生產(chǎn)工藝流程如圖1,主要設(shè)備情況見表1。
圖1 公司1#線生產(chǎn)工藝流程圖
表1 公司主機(jī)設(shè)備一覽表
2.3.1 濕電石渣上料與烘干
化工生產(chǎn)乙炔氣體產(chǎn)生的電石渣漿經(jīng)過壓濾機(jī)后水份在30%~36%左右,物料輸送的具體流程如圖2:
實(shí)際生產(chǎn)中存在如下問題:
(1)所有螺旋輸送機(jī)能力不足,容易壓死,故障頻繁,嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行;
(2)電石渣外加口太小,儲存不下多少料,裝載機(jī)耗量大;
(3)工藝布置比較復(fù)雜,流程彎道多,不利于物料輸送與烘干,如皮帶秤就不適合計(jì)量水份很大的物料,1#~4#膠帶輸送機(jī)彎道較多,故障也多;
(4)部分溜子很容易堵料,濾餅喂料機(jī)經(jīng)常過負(fù)荷跳停。
這些問題導(dǎo)致烘干破的臺時(shí)產(chǎn)量只有30~40t,無法實(shí)現(xiàn)用100%電石渣代替石灰石配料,生產(chǎn)成本也比較高,生料磨臺時(shí)140~160t。
2.3.2 電石渣配料與粉磨
與普通石灰石配料相比,電石渣配料在工藝上有如下特點(diǎn)[2]:
(1)電石渣主要成分為Ca(OH)2,CaO含量高,電石渣及其生料中鎂、堿含量很低,液相量偏低,易燒性稍差。
(2)電石渣細(xì)度較細(xì),與水泥生料相比,顆粒較為均勻,粉磨過程主要是電石渣的烘干與輔助原料的均勻混合過程,易磨性很好。
(3)干電石渣及其生料的容重較輕,冷態(tài)下其流動性較好,高溫下流動性較差,堆積壓力較小。濕排含水量很高約在35%~45%,干排含水量在5%~10%。
(4)Ca(OH)2的分解溫度遠(yuǎn)低于CaCO3。
(5)適當(dāng)條件下,Ca(OH)2和生成的CaO會吸收部分CO2,部分重新生成CaCO3。
(6)Ca(OH)2的分解熱遠(yuǎn)低于CaCO3,因此電石渣配料熟料的形成熱大幅度降低。
(7)由于電石渣的燒失量小,故其生料的理論料耗低。
(8)窯尾系統(tǒng)廢氣成分中含水量較高,CO2含量較低,廢氣量與廢氣比熱較小。
(9)電石渣熟料的顏色大多呈微黃或土色。
(10)由于電石渣中有效成分較高,故一般電石渣熟料的強(qiáng)度較高。
(11)不同電石渣的硫和氯的差別很大,如硫和氯含量較高,會使窯尾系統(tǒng)堵塞,影響熟料煅燒和熟料質(zhì)量。
我公司其他原料為黃矸石、粉煤灰、鐵粉、砂巖,電石渣干粉先通過組合式選粉機(jī),細(xì)度合格的就直接入均化庫,細(xì)度不合格然后進(jìn)磨與其他原料一起在生料磨中粉磨。在生產(chǎn)中主要遇到如下問題:
(1)電石渣干粉溫度較高,導(dǎo)致選粉機(jī)下軸承、磨機(jī)滑履等溫度較高,有時(shí)因?yàn)闇囟瘸^警界而被迫停磨。
(2)公司選用的電石渣計(jì)量設(shè)備為科氏力稱,能力15~150t/h,由于濕電石渣在輸送與儲存中經(jīng)常會混進(jìn)去垃圾,造成稱體經(jīng)常堵料、卡料,傳感器損壞頻繁,稱體波動大,直接影響生料制備。
(3)由于電石渣先經(jīng)過選粉機(jī),后入磨,經(jīng)觀察測量,60%的電石渣會直接進(jìn)入成品輸送斜槽,這樣導(dǎo)致磨機(jī)內(nèi)只有少量的其他原料,磨機(jī)始終處于一種空砸狀態(tài),襯板、隔倉板等更換頻繁。
(4)我公司自生產(chǎn)以來,生料飽和比合格率平均在55%,嚴(yán)重影響熟料煅燒的穩(wěn)定性。
2.3.3 熟料煅燒
用100%電石渣代替石灰石配料,一方面容易造成預(yù)熱器系統(tǒng)與窯尾煙室結(jié)皮堵塞,另一方面易燒性差[3],熟料燒結(jié)范圍窄,三者隨著烘干破投料量的大小,整體負(fù)壓在不停的變化,極易引起窯皮脫落,窯磚壽命短。四者電石渣烘干系統(tǒng)與窯系統(tǒng)漏風(fēng)較大,窯內(nèi)負(fù)壓會出現(xiàn)不足的情況。
我公司生產(chǎn)以來最快的兩個(gè)月燒毀一批磚,整體窯磚消耗高于行業(yè)水平,熟料生產(chǎn)成本自然也高。
針對存在的問題,我公司對濕電石渣上料與烘干系統(tǒng)做了很多優(yōu)化改造,現(xiàn)在整體運(yùn)行穩(wěn)定。
3.1.1 電石渣外加口的改造
將兩臺45kW的雙管螺旋輸送機(jī)改為兩臺22kW的變頻膠帶輸送機(jī),膠帶輸送機(jī)為平式,上行托輥比較密,在膠帶輸送機(jī)上做了一個(gè)能容納5t電石渣的料倉,保證裝載機(jī)能正常加料。將兩條皮帶秤直接去掉,用溜子直接引下去,減少了設(shè)備數(shù)量,如圖3。
3.1.2 電石渣外排與4#膠帶輸送機(jī)的改造
在原設(shè)計(jì)中,只要3#或4#膠帶輸送機(jī)出現(xiàn)故障,就會導(dǎo)致化工壓濾被迫停車,問題如果一時(shí)解決不了,直接影響到化工乙炔的流量??紤]到這個(gè)問題,我們在1#與2#膠帶輸送機(jī)機(jī)頭各增加了一個(gè)外排口,如果需要外排,就直接從新外排口外排到堆場,如果需要在線上料,就開啟3#和4#膠帶輸送機(jī)。這里我們也把4#膠帶輸送機(jī)的驅(qū)動做了改造,兩個(gè)電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)或同時(shí)反轉(zhuǎn),并實(shí)現(xiàn)中控遠(yuǎn)程控制,操作員可以根據(jù)烘干破出口溫度,調(diào)節(jié)4#皮帶正反轉(zhuǎn)或5#或6#膠帶輸送機(jī)的頻率。
3.1.3 電石渣烘干系統(tǒng)的優(yōu)化與改造
第一,將移動式雙管螺旋輸送機(jī)徹底取掉,將3#、4#雙管螺旋輸送機(jī)改為兩條膠帶輸送機(jī),原鉸刀的功率為45kW,新?lián)Q膠帶輸送機(jī)的功率為22kW。將兩臺膠帶輸送機(jī)基礎(chǔ)整體抬高,騰出空間,把濾餅喂料機(jī)由三樓提高到四樓。9#膠帶輸送機(jī)過來的電石渣通過“八”字溜子進(jìn)入下面兩條膠帶輸送機(jī),分料閥由現(xiàn)場自己制作,見圖4。
第二,在烘干破每套噴淋系統(tǒng)下方1米的位置等距安裝4臺空氣炮,定時(shí)敲打,尤其是開噴淋的時(shí)候增加敲打次數(shù),避免物料掛壁。
第三,針對電石渣中摻雜的廢鐵等卡死濾餅喂料機(jī),在9#膠帶輸送機(jī)機(jī)頭處增加了一臺除鐵器,見圖5。
第四,在入電石渣干粉庫的每一個(gè)溜子上設(shè)計(jì)安裝了自制“寶塔垃圾分離器”,將電石渣中的大部分垃圾攔住,很大程度解決了電石渣計(jì)量系統(tǒng)被堵或卡的現(xiàn)象,提高了稱體流量的均勻性,生料質(zhì)量也得到同步提高。
改造后,流程比以前簡單,見圖6,烘干破的臺時(shí)產(chǎn)量最高能達(dá)到90t/h,完全實(shí)現(xiàn)了100%電石渣代替石灰石的配料,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,故障率低。電石渣上料連續(xù)均勻,環(huán)保得以保證。
圖4 烘干破四平臺改造后
圖5 新增除鐵器
圖6 電石渣輸送與烘干系統(tǒng)改造后
3.2.1 電石渣配料與石灰石配料的差異
除電石渣的物理性能及化學(xué)成分與石灰石不一樣外,生料煅燒時(shí)兩者的化學(xué)反應(yīng)過程有所不同[4]。
石灰石的主要成分是CaCO3,加熱至750℃就開始分解,900℃時(shí)分解劇烈而快速進(jìn)行,反應(yīng)式如下:
CaCO3→CaO+CO2↑
CaCO3分解時(shí),需要吸收大量的熱量,反應(yīng)熱為1787.8kJ/kg,(以25℃為基準(zhǔn),下述均如此),是水泥熟料形成過程中消耗熱量最大的一個(gè)過程。
電石渣的主要成分是Ca(OH)2,在加熱過程中部分Ca(OH)2會吸收氣體中的CO2生成CaCO3。加熱至550℃時(shí)Ca(OH)2開始分解,生成的部分CaO又會吸收氣體中的CO2生成CaCO3。在900℃以上時(shí),上述兩部分生成的CaCO3會重新分解。上述反應(yīng)式如下:
Ca(OH)2+ CO2→ CaCO3+H2O↑(放熱反應(yīng),1kg Ca(OH)2反應(yīng)熱為937.6kJ)
Ca(OH)2→CaO+H2O↑(吸熱反應(yīng),1kg Ca(OH)2反應(yīng)熱為1478.3kJ)
CaO+CO2→CaCO3(放熱反應(yīng),1kgCaO反應(yīng)熱為1787.8kJ)
CaCO3→CaO+CO2↑(吸熱反應(yīng),1kgCaCO3反應(yīng)熱為1787.8kJ)
同時(shí)可得出,電石渣配料生料分解反應(yīng)后的廢氣成分和廢氣量也與石灰石配料的不同。
3.2.2 生料粉磨系統(tǒng)工藝與設(shè)備優(yōu)化
針對電石渣的特性,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際存在的問題,我們做了如下改進(jìn):
首先,控制烘干破碎機(jī)的出口溫度,一般在100℃~130℃,這樣就保證了干電石渣的溫度不至于過高,一般在70℃左右,水份≤1.5%。
其次,增大選粉機(jī)稀油站冷卻器的換熱面積,現(xiàn)在的是原來的3倍,這樣到夏季的時(shí)候保證選粉機(jī)下軸承溫度在65℃以內(nèi)。對電石渣計(jì)量系統(tǒng)等設(shè)備軸承增加外置大油杯,每班進(jìn)行潤滑,確保設(shè)備軸承及時(shí)得到補(bǔ)油。
再次,由于很大一部分電石渣不入磨機(jī),直接進(jìn)入成品斜槽,需要調(diào)整磨機(jī)鋼球級配,鋼球最大用到Φ80,最小Φ30,其中粗磨倉為Φ80,Φ70,Φ60,Φ50,細(xì)磨倉為Φ50,Φ40,Φ30。實(shí)際生產(chǎn)中烘干倉護(hù)板磨損嚴(yán)重,磨頭灰塵比較多,經(jīng)過研究,我們對生料磨烘干倉進(jìn)行了改造,將兩排揚(yáng)料板錯位排開,在中間的位置全部安裝波紋襯板,這樣減輕了物料對磨機(jī)護(hù)板和筒體的磨損,烘干倉螺栓壽命延長。
我公司采用三級旋風(fēng)預(yù)熱器帶管道式分解爐,見圖7,生產(chǎn)能力3000t/d,其中一級旋風(fēng)筒(C1)內(nèi)徑Ф5100mm,二級與三級旋風(fēng)筒(C2、C3)內(nèi)徑均為Φ7400mm,分解爐內(nèi)徑為Ф6100mm?;剞D(zhuǎn)窯規(guī)格為Ф4.3×66m,冷卻系統(tǒng)為控制流篦式冷卻機(jī),型號∶ HCFC-3800,產(chǎn)量∶3800t/d。
圖7 公司窯尾預(yù)熱器與回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)
3.3.1 穩(wěn)定電石渣上料量
為了保證窯系統(tǒng)負(fù)壓穩(wěn)定,烘干破碎機(jī)電石渣的喂料量必須穩(wěn)定,在這里我們主要控制兩個(gè)參數(shù),一者是烘干破的出口溫度,二者就是烘干破的電流。平時(shí)運(yùn)行中我們主要靠調(diào)節(jié)外加電石渣的量來控制,把這些溫度與電流參數(shù)引到現(xiàn)場烘干破四平臺,便于現(xiàn)場崗位工監(jiān)控。這塊主要問題就是電石渣堵料問題,如果堵料,將會中斷上料,窯系統(tǒng)負(fù)壓下降,調(diào)節(jié)不及時(shí),直接會造成窯皮脫落等。經(jīng)過研究,我們發(fā)明了一種新型非標(biāo)溜子,即“皮帶溜子”。所謂皮帶溜子就是用角鋼把溜子的框架做出來,四面由原來的鋼板換為膠皮(膠皮來源于換下來的廢舊皮帶)。這種溜子的好處不容易沾料,即使沾料,用錘子輕微敲一下,物料就會失去粘附力掉落。這樣改過以后,電石渣上料與烘干系統(tǒng)非常穩(wěn)定,連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)98%以上。
3.3.2 在易堵塞位置增加空氣炮并增加噴吹次數(shù)
針對電石渣配料煅燒時(shí)預(yù)熱器易結(jié)皮現(xiàn)象,公司在旋風(fēng)筒錐體,窯尾煙室,下料管增加了空氣炮,并配置了高壓水槍,每班定時(shí)清理煙室結(jié)皮。操作中嚴(yán)格控制溫度,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理,自生產(chǎn)以來,預(yù)熱器結(jié)皮堵塞在我公司不是很突出,目前,這塊基本影響不到正常運(yùn)行。
3.3.3 從源頭上控制,給煅燒提供優(yōu)良的生料與環(huán)境
我們知道,用電石渣為原料生產(chǎn)水泥熟料存在很多問題,其中有些技術(shù)到現(xiàn)在也不是很成熟,做為一個(gè)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈,我們需本著上道工序?yàn)橄碌拦ば蚍?wù)的原則,嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),具體如下:
第一,嚴(yán)格控制電石渣中的C1-含量[5]。
經(jīng)檢測大部分氯堿企業(yè)電石渣中的C1-含量普遍偏高,在0.023%~0.3%之間波動,有些企業(yè)的電石渣C1-含量居高不下。應(yīng)從源頭上對電石渣中C1-含量進(jìn)行嚴(yán)格控制,包括采取減少次氯酸鈉循環(huán)次數(shù)等措施,因?yàn)橐坏┰诨さ纳a(chǎn)工序中無法降低電石渣中的C1-含量,那就意味著水泥廠在生料配料中只能減少電石渣的摻加比例甚至放棄使用。否則會增加預(yù)熱器和分解爐結(jié)皮、堵塞的頻率,嚴(yán)重時(shí)使水泥生產(chǎn)無法進(jìn)行。
目前,我公司電石渣中的C1-含量較低,也比較穩(wěn)定,能滿足100%電石渣的生產(chǎn)。
第二,降低電石渣中的水分。
該項(xiàng)工作仍然要從源頭抓起,化工電石渣壓濾車間優(yōu)化操作,包括適當(dāng)提高壓濾壓力、延長保壓時(shí)間,嚴(yán)禁將沖洗濾布的水帶入壓濾好的電石渣中,以免造成電石渣的水分再次上升。
我公司在2010年冬天到2011年前半年,電石渣水分很高而且不穩(wěn)定,基本平均在38%左右,上40%也較多,給生產(chǎn)造成很大影響,經(jīng)過壓濾車間增強(qiáng)過程控制和對刮板機(jī)進(jìn)行改造后,目前水分大多數(shù)在30%左右。對于輸送、烘干來說相對比較容易。
第三,提高生料三率值合格率。
生料的三率值直接決定了熟料的三率值,優(yōu)良的熟料源于合格穩(wěn)定的生料與精心煅燒。在生料配料上,我們現(xiàn)在主要采用5種組分,即電石渣、黃矸石、砂巖、鐵粉、粉煤灰。在原材料礦點(diǎn)確定以后,成分波動基本不大,主要是各計(jì)量系統(tǒng)的使用。黃矸石、鐵粉、砂巖采用的是皮帶秤,相對準(zhǔn)確,電石渣與粉煤灰采用的是粉體轉(zhuǎn)子計(jì)量稱,波動較大。我公司在生產(chǎn)期間更換了粉煤灰轉(zhuǎn)子秤,把滁州匯龍的轉(zhuǎn)子秤換為北京燕山的轉(zhuǎn)子秤,對負(fù)壓系統(tǒng)進(jìn)行了改造,增加了緩沖裝置,粉煤灰計(jì)量基本處于平穩(wěn),目前,生料的飽和比合格率由原來的40%左右提高到了70%左右。
第四,控制生料與煤粉細(xì)度。
事實(shí)證明,生料與煤粉的細(xì)度會對熟料的流動性產(chǎn)生影響,生料細(xì)度一般控制10%左右,煤粉細(xì)度15%以內(nèi)。
通過三大系統(tǒng)的改造,成功實(shí)現(xiàn)了100%電石渣代替石灰石生產(chǎn)水泥熟料,帶來的效益也非常大。
首先,用石灰石配料時(shí),生料磨的臺時(shí)產(chǎn)量在130~140t/h,用純電石渣后,臺時(shí)產(chǎn)量平均在185t/h左右,每小時(shí)提高45t左右。
其次,電石渣上料到烘干相對順暢,基本不堵料,每小時(shí)能烘干干粉160t,保證了磨機(jī)正常使用。
再次,回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行水平提高,熟料質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn),流動度200mm以上,平均每天生產(chǎn)熟料2500t。
本文通過對用電石渣生產(chǎn)水泥熟料的工藝研究,提出了多項(xiàng)生產(chǎn)技改,實(shí)現(xiàn)了100%電石渣代替石灰石的配料與煅燒,并產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)熟料,具體如下:
(1)由于濕電石渣水分相對大,粘性也大,輸送設(shè)備需選用膠帶輸送機(jī),而不能用螺旋輸送機(jī)等,流程簡單點(diǎn)比較好。
(2)電石渣配料的生料在預(yù)熱器和窯系統(tǒng)中與石灰石生料反應(yīng)不同,消耗能量也不同,需合理控制窯頭與分解爐喂煤。
(3)電石渣燒失量小于石灰石,所以電石渣配料生產(chǎn)熟料料耗低。
(4)電石渣易粉磨,提高電石渣的摻加量,可以提高生料磨臺時(shí),降低熟料電耗。
(5)由于電石渣配料的生料在煅燒時(shí)容易結(jié)皮,所以生產(chǎn)中需特別觀察預(yù)熱器各溫度與負(fù)壓的變化,定期清理煙室結(jié)皮。
電石渣計(jì)量系統(tǒng)為粉體轉(zhuǎn)子秤,由于干粉中混有一定的垃圾,導(dǎo)致稱體波動較大,影響生料配料,目前,合格率還不能達(dá)到行業(yè)平均水平,需要研究一種設(shè)備,將垃圾除去,而且電石渣計(jì)量既環(huán)保又比較穩(wěn)定。
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