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文档简介

项目类别(重点资助项目、一般资助项目、立项项目)项目编号:广西壮族自治区教育厅科研项目申请书项目名称: 小型工业锅炉新型双碱双循环法湿法 . 脱硫装置的研制 承担单位: 广西电力职业技术学院 协作单位: 申 请 者: 程 朝 申请日期: 2010 年 4 月 18 日广西壮族自治区教育厅编制二一年三月填 写 说 明:一、本申请书各项内容,要实事求是,逐条认真填写。表达要明确、严谨,字迹要清晰易辩。外来语要同时用原文和中文表达。第一次出现的缩写词,须注出全称。二、申请书请用A4纸打印,于左侧装订成册。填写时如纸面不敷可另加附页。三、封面“项目编号”由系统自动生成,我厅统一填写。项目类别填报在选择项前面打。四、本申请书一式3份,由所在高校签署意见后,统一报送我厅科研管理处,经评审立项的申请书,我厅签署意见后,将退回学校2份。2一、简表研究项目名称小型工业锅炉新型双碱双循环法湿法脱硫装置研制研究类别CA、基础研究B、应用基础研究C、应用研究D、试验发展所属学科领域(请填写二级学科): 能源动力申请金额6万元起止年月 2010 年 3 月 至2011 年 9月申请者姓名程朝性别(打)A男B女出生年月1966年 5 月民族汉专业技术职务最后学位(打)A博士B硕士C学士最终学位授予国别、学校高级讲师承担单位名称:广西电力职业技术学院协助单位名称项目组成员含申请者总人数高级中级初级博士后博士硕士参加单位数53110041姓 名性别出生年月专业技术职 务工作单位年参加月 数项目中的分工签名程朝男1966,5高级讲师广西电力职业技术学院12资源协调整体设计严方男1977,4工程师广西电力职业技术学院12整体设计项目实施邓艳霞女1981,10助教广西电力职业技术学院12文献整理仿真实验湛年远男1972,7副教授广西电力职业技术学院10仿真实验研究内容和意义摘要本课题研究一种新型小型工业锅炉脱硫装置的整体设计方案,方案计划研制具有独特工艺的再生池、循环池以及喷淋泵,以便实现脱硫液的循环利用以及pH值的稳定控制。方案主要是为了有效解决湿法脱硫因pH值扰动造成的脱硫设备的结垢与堵塞问题,以及实现整套装置投资费用低、脱硫效果好、运行费用较低、运行简易,废水为零排放等设计理念,为我区小型工业炉的减排量身定制合适的脱硫装置,践行教育科研为我区工业做大、做强、做优的服务理念。主题词主题词数量不多于3个零排放;pH值扰动;结垢与堵塞简表填写要求:一、简表内容必须认真填写,采用国家公布的标准简化汉字。二、凡选择性栏目,在相应提出符A、B等之一上打“”。三、部分栏目填写要求:项目名称应确切反映研究内容,最多不超过25个汉字(包括标点符号)。基础研究指以认识自然现象、探索自然规律为目的,不直接考虑应用目标的研究活动。应用基础研究指有广泛应用前景,但以获取新知识、新原理、新方法为主要目的的研究。应用研究为了确定基础性研究成果或知识的可能的用途,或是为达到某一具体的、预定的实际目的确定新的方法(原理性)或途径的研究。试验发展指利用从科学研究和实际经验中所获得的现有知识、生产新材料、新产品、新装置、新流程和新方法,或对现有的材料、产品、装置、流程、方法进行本质性的改进而进行的系统性工作。所属学科领域申请课题所属的基础学科。如涉及多学科可填写两个,先填为主学科。申请金额以万元为单位,用阿拉伯数字表示,注意小数点。参加单位数指导研究组成员所在单位数,包括主持单位和合作单位,以阿拉伯数字表示。项目组主要成员指在项目组内对学术思想、技术路线的制定与理论分析及对项目的完成起主要作用的人员。二、项目的研究目的和意义众所周知,煤炭在燃烧过程中会产生较多的污染物,在大气迁移扩散过程中转化为酸性沉降物,即通常所说的酸雨。酸雨污染已引起国务院的高度关注,并制定了一系列方针政策和技术措施来控制酸雨污染。因此控制和治理SO2是我国当前及今后一段时间内最为紧迫的环保任务之一,国家环保总局也进一步加大了环保执法的力度,对期限不治理的企业实行强制性停产,并进行新闻曝光。因此在我国SO2烟气治理工业的前景是十分广阔的。由于种种原因,区内燃煤小型工业锅炉仍广泛存在,随着国内对环境保护的认识,一些燃煤小型锅炉也开始要求安装脱硫装置,并且环保部门对其相关的排放标准逐步开始严格、正规、法制化。但一直以来小型工业锅炉石灰(石)湿法脱硫应用存在如下难点:1. pH值难以控制,对运行人员要求较高1.1 pH值过高的危害石灰湿法脱硫过程中,当pH过大时,浆液中的脱硫剂主要为Ca(OH)2,脱硫产物是溶解度很小的,虽然此时可以获得高的脱硫率,但结垢非常严重。这是因为半水亚硫酸钙和碳酸钙的溶解度很小,极易达到过饱和而结晶出来,最终会在器壁上形成很厚的垢层,严重时将使设备、管道堵塞而无法连续运行。此时脱硫塔内主要的化学反应式为: (1)1.2 pH值过低的危害当pH过低时,脱硫效率下降并且容易加重脱硫设备的腐蚀。水成了主要的脱硫剂,SO2H20逐渐成为液相中硫阴离子主要形态,溶液中较高的H+浓度抑制了H2SO3的电离。这种单纯的溶解作用吸收SO2的能力十分有限。并且这种溶解十分不稳定,具有很大的可逆性。SO2很容易从较低的pH值环境中逸出,因此不能看做SO2被有效吸收。显然低pH值脱硫不仅达不到脱硫的效果,由于烟温下降,烟气对整个脱硫设备腐蚀加剧,极大降低脱硫设备的寿命。1.3 pH值扰动危害如果吸收液pH值剧烈变化,会产生结垢与堵塞。当pH值急剧降低时亚硫酸盐溶解度急剧上升,硫酸盐溶解度略有下降,石膏会在很短的时间内大量产生并析出,从而产生硬垢。而当pH值急剧升高时亚硫酸盐溶解度降低会引起亚硫酸盐析出,产生软垢,同时在碱性pH值运行会产生碳酸钙硬垢。当然石灰(石)湿法脱硫系统中除了pH值控制不当容易引起脱硫设备结垢与堵塞,氧化不够同样会引起设备结垢与堵塞。因为脱硫塔内氧化不够甚至无氧情况下,会生成生成一种反应物为Ca (SO3)0.8(SO4)0.212 H2O,又称软垢。2 烟气影响较大小型工业锅炉脱硫装置中,由于烟道短、烟温高且通常不会在脱硫前单独装设除尘装置,烟气特性对脱硫效果的影响是显著的,且主要表现为烟温和飞灰的影响。2.1 飞灰影响原烟气中飞灰在一定程度上阻碍了SO2与脱硫剂的接触,降低了石灰石中Ca2+的溶解速率,同时飞灰中不断溶出的一些重金属会抑制Ca2+与(HSO3)-的反应。烟气中粉尘将使塔内浆液反应活性下降、脱硫率大大降低,以及造成喷头及管道堵塞等一系列问题。2.2 烟温低烟温有利于吸收,高烟温有利于解吸。在大型锅炉脱硫系统中,喜欢采用GGH将烟气冷却到60左右再进行吸收。较高的吸收烟气温度会使SO2的吸收效率降低。由于GGH设备昂贵,且增加了系统的电负荷,文献4对是否安装GGH进行了详细的利弊分析,显然从目前技术水平以及经济性考虑,小型锅炉脱硫装置装设GGH显然是不适用的。当然小型锅炉烟气可以考虑余热利用适当降低烟气温度,因地制宜的余热利用方法有很多,本文不在此赘述。3 运行人员自动装置应用水平相对较低相对大中型工业炉运行人员的自动装置应用水平而言,小型工业锅炉运行人员自动装置应用水平相对较低。同时由于小型工业锅炉所面向的企业为一些地方性甚至私营的中小型企业,企业的生产过程自动化水平本来就相对较低,而脱硫系统对于大多数企业都是一个负担,许多脱硫装置的上马是为了环评而设计,因此系统的自动控制设计会更加不受重视。随着环境保护认识的更深一步加强,脱硫装置的有效投入一定会成为企业的准投运前提。因此研究一种造价低廉、自动化程度高、运行简易、运行费用相对合理的双循环双碱法小型工业锅炉湿法脱硫装置有着迫切的需求。三、项目所在学科和技术领域的国内外研究现状、水平和发展趋势分析(重点说明近5年的国内外进展情况)烟气湿法脱硫(FGD)是应用最为广泛的脱硫方法,也是控制酸雨和二氧化硫污染的最为有效的和主要的技术手段。目前世界各国对烟气脱硫都非常重视,已开发了数十种行之有效的脱硫技术,其中以湿法脱硫为主。湿法脱硫剂形式多样,可因地制宜,但其基本原理都是以一种碱性物质作为SO2的吸收剂,即脱硫剂。其中钙法脱硫因其造价低廉、脱硫效果较好成为国内湿法脱硫的主流。1 钙基烟气脱硫技术最常用的钙基脱硫技术是以石灰石浆液吸收烟气中的二氧化硫,先生成亚硫酸钙,然后再被氧化为硫酸钙,即石灰石-石膏法。许多学者在钙基吸附剂中加入了不同的添加剂,从而对其脱硫效果进行了不断改善。Lee等1通过水合作用将硫酸钙、氧化钙和粉煤灰合成为高活性的烟气脱硫吸附剂。通过统计学实验设计和两种人工智能算法(神经网络和遗传运算法则),给出了吸附剂合成的完整模型和最优化方法。Lee等2还在不同条件下使用钙基吸附剂进行了烟气脱硫实验,并阐述了烟气中NOx和O2在烟气脱硫过程中所产生的协同作用。Dahlan等3将RHA加入CaO中做成钙基吸附剂,并研究了RHA吸附剂脱硫活性的影响因素。研究结果表明,在吸附剂的制备过程中,RHA的量、CaO的量、两者量的比及水合阶段是影响吸附剂脱硫活性的关键因素。除此之外,吸附剂的物理性质如孔径分布和表面形态也是影响其脱硫活性的重要因素。李春花等4为了研究粉煤灰中Fe2O 3含量对钙基脱硫性能的影响,分别以CaO和CaO与Fe2O 3的混合物为吸收剂进行实验,并加以比较。结果表明,加入一定量的Fe2O 3,可以显著提高脱硫效率和氧化钙的利用率。当温度在650750时,Fe2O 3与氧化钙的质量配比为1:10时效果最好,脱硫效率可达94 ,钙利用率为54。钙基脱硫技术是目前世界上技术最成熟的脱硫工艺之一,脱硫率在90以上。该法效率高,运行可靠性好;但却存在初期投资大,占地面积大,设备易结垢,有废水排放等缺点。2 镁基烟气脱硫技术本方法采用具有良好化学活性和来源丰富的MgO为原料,将其制成浆液,然后利用Mg(OH) 浆液吸收烟气中的SO2。夏世斌等5 在实验室由碱性铁矿渣成功制备了Mg基脱硫剂,并通过模拟试验装置研究了其烟气脱硫效果。模拟试验结果表明:在Mg(OH) 乳浊液质量浓度21.242.4 g/L、气液体积比5(L/m3)、烟气停留时间为30s的工况条件下,可将烟气中SO2质量浓度从1210 mgL降至140 mg/L以下,脱硫的效率可达88.4 。李娟等6为更好的提高镁法湿法烟气脱硫的脱硫效率,从脱硫剂氧化镁的活性出发,通过x射线衍射分析研究了高温煅烧制备的氧化镁,得出随着碱式碳酸镁煅烧温度的升高,生成的氧化镁结晶程度越来越大,活性越来越差。试验煅烧温度控制在550800,升温时间采用4 h,保温时间1.5 h,在此试验条件下,活性最好的氧化镁的脱硫效率比活性最差的氧化镁脱硫效率平均提高约3左右,从而在相同条件下降低了镁法脱硫的投资成本。镁法脱硫比较复杂,费用也比较高,但不存在如钙基脱硫系统常见的结垢问题,终产物采用再生手段,既节约了吸收剂又省去了废物处理的麻烦,因此这种方法还是颇受青睐的。3 双碱法烟气脱硫技术双碱法烟气脱硫系统的特点是先用碱性吸收液进行脱硫,然后再用石灰乳和石灰石粉末再生吸收液。卞兆双7以钠碱双碱法进行试验,即采用NaOH和Na2SO3 吸收SO2 ,吸收液再用石灰或石灰石进行再生反应生成SO3 或CaSO4沉淀,再生后的NaOH溶液返回洗涤器。试验结果表明,吸收液的pH值应控制在6.57.0,当文氏管的液气比为12(L/rn3),入口烟气中SO2质量浓度为1 0004 000 mg/L时,脱硫率可达9598。蒋利桥等8以处理量为1800 m3/h的亚硫酸钠循环法烟气脱硫装置为实验对象,着重研究吸收液pH值、液气体积比L/G、吸收液成份和脱硫剂初始浓度等因素对脱硫效率的影响,并对脱硫剂再生过程和再生清液的脱硫特性进行研究。结果表明吸收液pH值决定硫成份在溶液中的状态,从而影响脱硫效率,当pH6时,脱硫效率高且随pH增大变化平缓;当pH6时,其氧化速率变化不明显,因此建议选择低pH值;当加入硫代硫酸钠为抑制剂时,发现其对于亚硫酸盐的氧化具有很强的抑制作用,随着硫代硫酸钠浓度的增加,其对于亚硫酸盐氧化的抑制作用增加,当硫代硫酸钠的浓度为12.67 mmol/L时,其对于亚硫酸盐氧化的抑制作用可达到97.6。双碱法由于采用液相吸收,而亚硫酸氢盐通常比亚硫酸盐更易溶解,从而可避免钙基脱硫法所经常遇到的结垢问题,且可以得到纯度较高的副产品石膏。此法的缺点是,在操作过程中,Na2SO3 会发生氧化副反应生成Na2SO4 ,Na2SO4较难再生,需不断地向系统中补充Na2SO3 或NaOH,增加碱的耗量,且会影响副产物石膏的质量。参考文献1 LEE K T,BHATIA S,MOHAMED A R,et a1Optimizing the specific surface area of fly ashbased sorbents for flue gas desulfurizationJChemosphere,2006,62(1):89-962 LEE K T,BHATIA S,MOHAMED A RRemoval of sulfur dioxide using absorbent synthesized from coal fly ash:Role of oxygen and nitrogen oxide in the desulfufization reactionJChemical Engineering Science,2005,60(12):3 419-3 4233 DAHLAN I,LEE K T,HARUN K A,et a1Key factor in rice husk ashCaO sorbent for high flue gas desulfurization activityl J JEnvironmental Science Technology,2006,40 (19):6 032-6 0374 李春花,王 华,胡建杭,等FeaO 强化CaO粉末中温烟气脱硫的研究J应用化工,2006,35(2):92-955 夏世斌,石华前,罗斌华富镁铁渣制备镁基脱硫剂及模拟烟气脱硫研究J武汉理工大学学报,2006,28(8):58616 李娟,钱枫,李建宇燃煤烟气脱硫氧化镁活性研究J环境污染与防治,2005,27(3):201-2047 卞兆双低浓度二氧化硫烟气脱硫治理方案研究J江汉石油学院学报,2004,26(2):171-1738 蒋利桥,赵黛青,陈恩鉴亚硫酸钠循环法烟气脱硫工艺实验研究J热能动力工程,2005,20(4):384-3899MO Jian-song,WU Zhong-biao,CHENG Chang-jie,et a1Oxidation inhibition of sulfite in dual alkali flue gas desulfurization system JJournal of Environmental Sciences,2007,19(2):226-23四、项目研究方案1研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标: 研制一种造价低廉、自动化程度高、运行简易、运行费用相对合理、零排放的双循环双碱法小型工业锅炉湿法脱硫装置。研究内容: 1.双循环双碱法小型工业锅炉湿法脱硫装置硬件设计; 2.通用DCS控制系统设计与实现; 3.装置脱硫效率与运行方式探讨。拟解决的关键问题: 1.造价要低;2.碱液利用率高,Na2SO3的氧化降低,系统结垢可能性降低,运行费用合理;3.自动化程度高、运行简易。2拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析研究方法: 硬件方案数学建模推理,仿真验证并配合实验数据验证;控制方案实际设计。技术路线: 借鉴当前比较实用的双碱双循环脱硫装置的设计方法,集中解决碱液利用率高和运行方式简易以及造价低等实际问题。可行性分析:1 脱硫装置系统图装置系统工艺流程如图1所示。脱硫装置配套的工艺子系统包括烟气系统、吸收塔系统、沉淀池、澄清池、再生池、曝气装置、循环池、碱液箱、电气控制系统、测量装置、自动控制装置等系统。烟气中SO2的去除在吸收塔内进行。吸收塔本体包括两层填料吸收区、曝气吸收区,主要设备有搅拌器、浆液循环泵、再生泵、曝气装置等。循环池由循环泵经管道连接到脱硫塔的上部;循环池由再生泵经管道依次连接反应池和沉淀池、澄清池,澄清池的上部设有管道连接到循环池和淋盘,循环泵有管道连接再生池,脱硫塔的底部设有管道连接到循环池。脱硫液以循环池为连接点部分再生。脱硫系统采用三相流化床脱硫除尘一体化工艺,填料采用两层格栅空心填料球填充,脱硫塔顶部设有高效喷淋装置,脱硫液由脱硫塔的顶部进入脱硫塔,烟气由脱硫塔底部进入。循环池由短管曝气装置经管道连接到脱硫塔底部的烟气进口,起降温和预脱硫除尘作用。图1 小型锅炉简易双碱法脱硫系统2 化学原理2.1 在吸收吸收塔内用NaOH吸收SO2: (1)2.2 脱硫剂再生双碱法适合小型锅炉脱硫最重要的优势是污水的零排放,也就是脱硫剂的再生。将吸收了SO2的吸收液送至石灰(石)脱硫再生器,进行吸收液的再生和固体副产品的析出。以纳盐为例作为脱硫剂,用石灰对吸收剂进行再生,则在反应器中会进行下面的反应: (2) (3)再生后的NaOH和Na2SO3等脱硫剂可以循环使用。由于再生池的氧化,因此同时会发生下面的副反应: (3)脱除硫酸盐 (4)比较难再生,但我们可利用添加增加回收剂碱性来抑制脱硫剂Na2SO3的氧化。 (5)(4)软化 (6) (7) (8)3 装置的基本工艺原理 在引风机的驱动下,原烟气通过烟气入口,进入脱硫塔,烟气首先与专有曝气装置曝气后形成的气化浆液接触,烟气中的粉尘与SO2被有效地吸收,尤其是粉尘。由于气化浆液表面积大,脱硫剂中的吸收产物氧化效果好,降低了双碱法也存在的结垢风险,同时也减少了因为Na2SO3被氧化带来的物料损失。此时烟气进一步穿过气化雾后,烟气进一步与喷淋的浆液接触,吸收液在经过高效喷淋后在填料球的上下湍动与烟气接触发生化学反应,废烟气经过喷淋、混合、吸附、氧化、中和、还原等物理化学过程,达到脱硫、除尘、净化烟气的目的。处理后的烟气经引风机到达烟囱排入大气,脱硫塔的出水由底部流出。循环池安装有pH值监测装置和液位测量装置,根据循环池中pH条件,再生泵抽取部分脱硫液循环再生并定时补充一定量钠碱溶液。再生池沉淀阀为特殊工艺控制阀,能准确控制再生液pH值,本装置使得脱硫系统和再生各自形成循环,该装置减少了脱硫液的循环量,降低运行成本,使系统操作弹性变宽、脱硫效率更加稳定。4 控制功能设计与实现4.1 曝气装置控制逻辑设计曝气装置是利用短管曝气的原理,对烟气实施初步的降温和除尘,并实施初步的除硫,飞灰的大幅度降低可增强脱硫塔内填料球的脱硫效果。曝气装置跳闸联锁:备用循环泵启动;曝气装置启停条件:无;曝气装置联锁启动条件:循环泵启动。4.2 循环泵控制逻辑设计启动条件:循环池液位满足且循环切换阀开且循环池pH值满足条件;或者澄清池液位满足条件且澄清池切换阀开且澄清池液位pH值满足条件;循环泵联锁设计:运行泵停止;或SO2排放低于标准且备用喷淋泵未启动;或曝气装置停止。4.3 备用喷淋泵控制逻辑设计联锁启动条件:SO2排放低于标准;或者2台循环泵均停止;联锁停止条件:SO2排放高于标准30s且循环泵、曝气装置至少有两台运行。喷淋泵变频控制设计:图2喷淋泵变频控制设计4.4 补碱阀控制逻辑设计补碱阀控制是循环池pH值保持,降低系统结垢风险以及降低物料消耗的重要设备。联锁启动条件:循环池pH值满足条件且循环池补给阀停止10s后且循环池液位满足条件;联锁停止条件:pH值满足条件并延时10s;4.5 循环池pH值控制设计图3 吸收液再生过程中的循环液切换逻辑图4 再生泵启动逻辑图5 再生泵关闭、补碱阀开启逻辑图6 再循环池补给逻辑5 再生池pH值控制方法再生池pH值逻辑控制是整套装置良好运行的关键,一方面过低的pH值会降低澄清池的pH值,这样会增加Na2SO3的氧化损失,也就是增加钠碱的消耗,另一方面pH值过高会增加系统结垢的可能性。不过本方案设计的双碱双循环的pH值比普通的双碱双循环的pH运行值要高。5.1 再生池沉淀阀(挡板)设计原理沉淀阀在实用过程中实际上是利用再生池与沉淀池的高度差实现的,当再生池的浆液达到一定高度后,再生液会自动溢出至沉淀池。沉淀阀实际上是一片具有电动装置的专门设计的挡板。在一次再生环节中,再生液前期是自然循环,再生结束后由电机绕动挡板,再生池剩余浆液全部流入沉淀池后挡板再关上,这样周而复始即可可靠控制再生池内pH值。再生池内的浆液pH值控制得好,则澄清池内的pH值能满足吸收液的需求。图7 沉淀阀的设计5.2 再生池内pH值控制逻辑设计沉淀阀的设计优势是再生池内浆液的pH值可采用定比例控制方法,即根据再生开始时的循环池pH值、再生池容积以及再生后的pH目标值控制在7.25,即可定量计算出一次再生所需要的CaOH的剂量。当循环池液位下降到一定程度,再生池容积不足一池,此时可依据液位计算出CaOH的剂量。图8 CaOH的给料3课题研究进度或调研计划安排2010,39 调研成熟的双碱法湿法脱硫设计方案 程朝,严方等 2010,3 控制装置准备 程朝2010,410 实验装置设计;控制方案实现 严方,邓艳霞等2010,1012 双碱法脱硫实验;数学建模; 邓艳霞,湛年远等 2011,35 设计方案整理 邓艳霞,湛年远等 2011,59 项目结题准备 全体成员4(1)预期的研究成果,成果形式、预计去向、使用范围及其水平 (2)预期成果的应用前景,要达到的技术、经济指标,成果的经济、社会效益分析 预期的研究成果: 设计方案;运行方案;控制装置。 成果形式: 设计方案为设计说明书或者专利;运行方案为论文;12篇核心论文。控制装置为实际控制系统。 预计去向: 设计方案联合环保技术类公司进行推广;控制装置分售给环保技术类公司。 使用范围及其水平预估: 小型工业炉烟气治理项目;具有造价低廉、自动化程度高、运行简易、运行费用相对合理、零排放的特色设计。 应用前景预估:广西工业底子薄,有一大批小糖厂、小纸厂、淀粉厂和酒精厂和玻璃厂等,这小小企业不仅是现在,也会在将来为广西的经济与就业作出贡献。小厂经营灵活多样,成本可控,能就近解决农村富余劳动力,但大部分小厂环保意识较差,污染严重,因此如何对小型企业进行趋利避害,合理发展,已经成为一个课题。是避开小企业、追大求强,还是寻求更加合理的环保解决方案、扶小做大?寻求有特色的、有能力的技术进行技术立身,技术扶持中小型企业,是我区从事职业教育者需要考虑的问题。仅以脱硫装置的直接销售安装的经济效益预估,区内市场规模过亿,间接经济效益更是广阔。五、项目研究基础1与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩大型湿法脱硫仿真系统。2已具备的实验条件或资料准备情况,尚缺少的实验条件或资料,拟解决的途径;拟利用国家和广西重点实

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