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柴油機(jī)SCR系統(tǒng)尿素結(jié)晶的適用性研究

2014-11-03 02:20:58史留慶張翠平
科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年32期

史留慶+++張翠平

摘 要:針對(duì)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對(duì)尿素沉積物成分進(jìn)行分析,研究溫度對(duì)尿素結(jié)晶結(jié)石的影響,并對(duì)減少尿素沉積物的生成進(jìn)行探索,結(jié)果表明:提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

關(guān)鍵詞:尿素沉積;結(jié)晶;結(jié)石;啟噴溫度;噴射量

引言

國(guó)內(nèi)企業(yè),為確保產(chǎn)品質(zhì)量,國(guó)四車型的SCR系統(tǒng)關(guān)鍵零部件大多采用國(guó)外成熟產(chǎn)品,但由于匹配應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少,尿素液滴在排氣流道內(nèi)形成結(jié)晶結(jié)石等沉積物是影響當(dāng)前SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素,在車輛運(yùn)行過(guò)程中會(huì)引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)限扭,影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng),包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發(fā),液滴與排氣的能量和動(dòng)量交換[1],粒子撞壁過(guò)程,液膜形成,NOx的催化還原反應(yīng)等,而且尿素噴射后形成的霧化場(chǎng)和溫度場(chǎng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化而時(shí)刻發(fā)生改變,尿素液滴在分解為氨氣時(shí),也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產(chǎn)物,形成尿素結(jié)晶結(jié)石等沉積物。沉積物會(huì)不斷累積,堵塞排氣通道,導(dǎo)致排氣背壓升高,嚴(yán)重時(shí)甚至影響車輛的正常運(yùn)行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過(guò)程中,會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成多種中間產(chǎn)物,尿素結(jié)晶在高溫下會(huì)縮合成縮二脲、三聚氰酸,甚至?xí)扇矍璋返龋⒆罱K形成結(jié)石。

尿素沉積物主要為尿素結(jié)晶和結(jié)石,尿素結(jié)晶體成分主要是尿素,受熱或有水存在的條件下可以發(fā)生分解或溶解,尿素結(jié)石主要成分是尿素分解過(guò)程中形成聚合物或縮合物,如縮二脲和三聚氰酸等,較難發(fā)生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對(duì)采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)(TG-F1IR)進(jìn)行了分析對(duì)比,以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見,樣品具有尿素的特征,既含有一定量的尿素成分,同時(shí),說(shuō)明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產(chǎn)物紅外光譜掃描分析

為進(jìn)一步確定沉積物的組成,對(duì)采集的尿素沉積物進(jìn)行了紅外光譜掃描分析,并將其與氨、異氰酸等物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜進(jìn)行了對(duì)比。

尿素加熱分解過(guò)程中產(chǎn)生了兩個(gè)吸收光譜的峰值,分別出現(xiàn)在加熱溫度升高至210℃和357°C時(shí)。尿素分解的第一峰值產(chǎn)物與氨氣的光譜吸收?qǐng)D匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產(chǎn)物與異氰酸的光譜吸收?qǐng)D匹配相似性高。因此,尿素在加熱過(guò)程中分解的產(chǎn)物分解產(chǎn)物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對(duì)尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標(biāo)定

不合理的尿素噴射標(biāo)定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2],均不利于尿素液滴的霧化和快速分解,均會(huì)加劇在排氣管和催化劑上的尿素結(jié)晶,進(jìn)一步會(huì)轉(zhuǎn)化成結(jié)石。因此,需要進(jìn)行合理的尿素啟噴溫度設(shè)定和尿素噴射策略的標(biāo)定。

在試驗(yàn)中保持排氣流速為20m/s,尿素噴射速率為8.33g/min,排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃,收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量,收集時(shí)間為30min,試驗(yàn)結(jié)果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時(shí),尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%,當(dāng)排氣溫度升高到272℃時(shí),則無(wú)尿素沉積物生成。可以看出,在相同的尿素噴射速率下,隨著排氣溫度的增加,尿素沉積物的生成量逐漸減少。(見圖1)

1.3.2 尿素噴射速率對(duì)尿素沉積物的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對(duì)沉積物生成量影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中保持排氣流速為20m/s,排氣溫度分別控制在227℃和245℃,尿素噴射速率設(shè)定為8.33g/min和5g/min,收集尿素沉積物的生成量,收集時(shí)間為30min,30min內(nèi)尿素消耗量分別約為249.9g和150g,試驗(yàn)結(jié)果見如圖所示。可以看出,尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃,尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后,均不再產(chǎn)生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量的影響

通過(guò)排氣溫度和尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量影響的試驗(yàn)研究可以看出,優(yōu)化低溫下尿素噴射策略,提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結(jié)束語(yǔ)

(1)分析了尿素結(jié)晶結(jié)石的形成及影響因素。通過(guò)對(duì)尿素沉積物成分的分析,結(jié)果表明,尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸,根據(jù)三聚氰酸的特性,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度超過(guò)360℃工況下運(yùn)行時(shí),可以避免尿素形成結(jié)晶結(jié)石的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在對(duì)尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)尿素噴射策略的優(yōu)化標(biāo)定,提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭斌,姬麗霞,陸春美,等.車用SCR系統(tǒng)空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程,2009,31(4):376-380.

[2]趙航,王務(wù)林,楊建軍,等.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2010.

作者簡(jiǎn)介:史留慶,男,山西運(yùn)城,工程師,工程碩士。endprint

摘 要:針對(duì)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對(duì)尿素沉積物成分進(jìn)行分析,研究溫度對(duì)尿素結(jié)晶結(jié)石的影響,并對(duì)減少尿素沉積物的生成進(jìn)行探索,結(jié)果表明:提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

關(guān)鍵詞:尿素沉積;結(jié)晶;結(jié)石;啟噴溫度;噴射量

引言

國(guó)內(nèi)企業(yè),為確保產(chǎn)品質(zhì)量,國(guó)四車型的SCR系統(tǒng)關(guān)鍵零部件大多采用國(guó)外成熟產(chǎn)品,但由于匹配應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少,尿素液滴在排氣流道內(nèi)形成結(jié)晶結(jié)石等沉積物是影響當(dāng)前SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素,在車輛運(yùn)行過(guò)程中會(huì)引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)限扭,影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng),包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發(fā),液滴與排氣的能量和動(dòng)量交換[1],粒子撞壁過(guò)程,液膜形成,NOx的催化還原反應(yīng)等,而且尿素噴射后形成的霧化場(chǎng)和溫度場(chǎng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化而時(shí)刻發(fā)生改變,尿素液滴在分解為氨氣時(shí),也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產(chǎn)物,形成尿素結(jié)晶結(jié)石等沉積物。沉積物會(huì)不斷累積,堵塞排氣通道,導(dǎo)致排氣背壓升高,嚴(yán)重時(shí)甚至影響車輛的正常運(yùn)行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過(guò)程中,會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成多種中間產(chǎn)物,尿素結(jié)晶在高溫下會(huì)縮合成縮二脲、三聚氰酸,甚至?xí)扇矍璋返龋⒆罱K形成結(jié)石。

尿素沉積物主要為尿素結(jié)晶和結(jié)石,尿素結(jié)晶體成分主要是尿素,受熱或有水存在的條件下可以發(fā)生分解或溶解,尿素結(jié)石主要成分是尿素分解過(guò)程中形成聚合物或縮合物,如縮二脲和三聚氰酸等,較難發(fā)生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對(duì)采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)(TG-F1IR)進(jìn)行了分析對(duì)比,以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見,樣品具有尿素的特征,既含有一定量的尿素成分,同時(shí),說(shuō)明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產(chǎn)物紅外光譜掃描分析

為進(jìn)一步確定沉積物的組成,對(duì)采集的尿素沉積物進(jìn)行了紅外光譜掃描分析,并將其與氨、異氰酸等物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜進(jìn)行了對(duì)比。

尿素加熱分解過(guò)程中產(chǎn)生了兩個(gè)吸收光譜的峰值,分別出現(xiàn)在加熱溫度升高至210℃和357°C時(shí)。尿素分解的第一峰值產(chǎn)物與氨氣的光譜吸收?qǐng)D匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產(chǎn)物與異氰酸的光譜吸收?qǐng)D匹配相似性高。因此,尿素在加熱過(guò)程中分解的產(chǎn)物分解產(chǎn)物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對(duì)尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標(biāo)定

不合理的尿素噴射標(biāo)定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2],均不利于尿素液滴的霧化和快速分解,均會(huì)加劇在排氣管和催化劑上的尿素結(jié)晶,進(jìn)一步會(huì)轉(zhuǎn)化成結(jié)石。因此,需要進(jìn)行合理的尿素啟噴溫度設(shè)定和尿素噴射策略的標(biāo)定。

在試驗(yàn)中保持排氣流速為20m/s,尿素噴射速率為8.33g/min,排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃,收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量,收集時(shí)間為30min,試驗(yàn)結(jié)果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時(shí),尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%,當(dāng)排氣溫度升高到272℃時(shí),則無(wú)尿素沉積物生成。可以看出,在相同的尿素噴射速率下,隨著排氣溫度的增加,尿素沉積物的生成量逐漸減少。(見圖1)

1.3.2 尿素噴射速率對(duì)尿素沉積物的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對(duì)沉積物生成量影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中保持排氣流速為20m/s,排氣溫度分別控制在227℃和245℃,尿素噴射速率設(shè)定為8.33g/min和5g/min,收集尿素沉積物的生成量,收集時(shí)間為30min,30min內(nèi)尿素消耗量分別約為249.9g和150g,試驗(yàn)結(jié)果見如圖所示。可以看出,尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃,尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后,均不再產(chǎn)生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量的影響

通過(guò)排氣溫度和尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量影響的試驗(yàn)研究可以看出,優(yōu)化低溫下尿素噴射策略,提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結(jié)束語(yǔ)

(1)分析了尿素結(jié)晶結(jié)石的形成及影響因素。通過(guò)對(duì)尿素沉積物成分的分析,結(jié)果表明,尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸,根據(jù)三聚氰酸的特性,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度超過(guò)360℃工況下運(yùn)行時(shí),可以避免尿素形成結(jié)晶結(jié)石的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在對(duì)尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)尿素噴射策略的優(yōu)化標(biāo)定,提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭斌,姬麗霞,陸春美,等.車用SCR系統(tǒng)空氣霧化噴霧的霧化特性研究[J].汽車工程,2009,31(4):376-380.

[2]趙航,王務(wù)林,楊建軍,等.車用柴油機(jī)后處理技術(shù)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2010.

作者簡(jiǎn)介:史留慶,男,山西運(yùn)城,工程師,工程碩士。endprint

摘 要:針對(duì)柴油機(jī)SCR系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的尿素溶液形成沉積展開研究。首先對(duì)尿素沉積物成分進(jìn)行分析,研究溫度對(duì)尿素結(jié)晶結(jié)石的影響,并對(duì)減少尿素沉積物的生成進(jìn)行探索,結(jié)果表明:提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

關(guān)鍵詞:尿素沉積;結(jié)晶;結(jié)石;啟噴溫度;噴射量

引言

國(guó)內(nèi)企業(yè),為確保產(chǎn)品質(zhì)量,國(guó)四車型的SCR系統(tǒng)關(guān)鍵零部件大多采用國(guó)外成熟產(chǎn)品,但由于匹配應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少,尿素液滴在排氣流道內(nèi)形成結(jié)晶結(jié)石等沉積物是影響當(dāng)前SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素,在車輛運(yùn)行過(guò)程中會(huì)引起車輛燃油消耗增加和NOx排放升高等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)限扭,影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

1 尿素沉積物的形成與影響因素分析

1.1 尿素沉積物的形成條件

因SCR系統(tǒng)中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng),包括尿素液滴的霧化、破碎、蒸發(fā),液滴與排氣的能量和動(dòng)量交換[1],粒子撞壁過(guò)程,液膜形成,NOx的催化還原反應(yīng)等,而且尿素噴射后形成的霧化場(chǎng)和溫度場(chǎng)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化而時(shí)刻發(fā)生改變,尿素液滴在分解為氨氣時(shí),也生成氰酸、縮二脲、三聚氰酸等中間產(chǎn)物,形成尿素結(jié)晶結(jié)石等沉積物。沉積物會(huì)不斷累積,堵塞排氣通道,導(dǎo)致排氣背壓升高,嚴(yán)重時(shí)甚至影響車輛的正常運(yùn)行。

1.2 尿素沉積物的成分分析與分解

1.2.1 尿素水溶液生成氨氣的過(guò)程中,會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成多種中間產(chǎn)物,尿素結(jié)晶在高溫下會(huì)縮合成縮二脲、三聚氰酸,甚至?xí)扇矍璋返龋⒆罱K形成結(jié)石。

尿素沉積物主要為尿素結(jié)晶和結(jié)石,尿素結(jié)晶體成分主要是尿素,受熱或有水存在的條件下可以發(fā)生分解或溶解,尿素結(jié)石主要成分是尿素分解過(guò)程中形成聚合物或縮合物,如縮二脲和三聚氰酸等,較難發(fā)生分解。

1.2.2 尿素沉積物熱重分析

對(duì)采集的尿素沉積物和分析純尿素采用熱重-紅外聯(lián)用技術(shù)(TG-F1IR)進(jìn)行了分析對(duì)比,以確定沉積物成分。從尿素沉積物與分析純尿素的分解可見,樣品具有尿素的特征,既含有一定量的尿素成分,同時(shí),說(shuō)明其中還混有其他成分。

1.2.3 尿素沉積物加熱分解產(chǎn)物紅外光譜掃描分析

為進(jìn)一步確定沉積物的組成,對(duì)采集的尿素沉積物進(jìn)行了紅外光譜掃描分析,并將其與氨、異氰酸等物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)紅外吸收光譜進(jìn)行了對(duì)比。

尿素加熱分解過(guò)程中產(chǎn)生了兩個(gè)吸收光譜的峰值,分別出現(xiàn)在加熱溫度升高至210℃和357°C時(shí)。尿素分解的第一峰值產(chǎn)物與氨氣的光譜吸收?qǐng)D匹配相似性高。尿素分解的第二峰值產(chǎn)物與異氰酸的光譜吸收?qǐng)D匹配相似性高。因此,尿素在加熱過(guò)程中分解的產(chǎn)物分解產(chǎn)物成分主要為氨氣和異氰酸。

1.3 噴射控制策略對(duì)尿素沉積的影響

1.3.1 尿素噴射控制策略的標(biāo)定

不合理的尿素噴射標(biāo)定策略、尿素啟噴溫度和低溫下尿素噴射量[2],均不利于尿素液滴的霧化和快速分解,均會(huì)加劇在排氣管和催化劑上的尿素結(jié)晶,進(jìn)一步會(huì)轉(zhuǎn)化成結(jié)石。因此,需要進(jìn)行合理的尿素啟噴溫度設(shè)定和尿素噴射策略的標(biāo)定。

在試驗(yàn)中保持排氣流速為20m/s,尿素噴射速率為8.33g/min,排氣溫度分別控制在203℃、227℃、245℃和272℃,收集不同排氣溫度下尿素沉積物的生成量,收集時(shí)間為30min,試驗(yàn)結(jié)果如圖3-1所示。排氣溫度分別為203℃、227℃、245℃時(shí),尿素沉積物越占尿素消耗量的12.5%、7.8%和4.0%,當(dāng)排氣溫度升高到272℃時(shí),則無(wú)尿素沉積物生成。可以看出,在相同的尿素噴射速率下,隨著排氣溫度的增加,尿素沉積物的生成量逐漸減少。(見圖1)

1.3.2 尿素噴射速率對(duì)尿素沉積物的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行同一排氣溫度和流量下尿素洛液噴射速率對(duì)沉積物生成量影響的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中保持排氣流速為20m/s,排氣溫度分別控制在227℃和245℃,尿素噴射速率設(shè)定為8.33g/min和5g/min,收集尿素沉積物的生成量,收集時(shí)間為30min,30min內(nèi)尿素消耗量分別約為249.9g和150g,試驗(yàn)結(jié)果見如圖所示。可以看出,尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量也有較大的影響。排氣溫度在227℃和245℃,尿素溶液噴射速率從8.33g/min下降低到5g/min后,均不再產(chǎn)生尿素沉積物。

圖2 不同排溫下尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量的影響

通過(guò)排氣溫度和尿素溶液噴射速率對(duì)沉積物生成量影響的試驗(yàn)研究可以看出,優(yōu)化低溫下尿素噴射策略,提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

2 結(jié)束語(yǔ)

(1)分析了尿素結(jié)晶結(jié)石的形成及影響因素。通過(guò)對(duì)尿素沉積物成分的分析,結(jié)果表明,尿素結(jié)晶結(jié)石的主要成分是尿素和三聚氰酸,根據(jù)三聚氰酸的特性,當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度超過(guò)360℃工況下運(yùn)行時(shí),可以避免尿素形成結(jié)晶結(jié)石的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在對(duì)尿素沉積形成影響因素分析和沉積物成分分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)尿素噴射策略的優(yōu)化標(biāo)定,提高尿素啟噴溫度,修正低溫下尿素噴射量,可有效減少尿素沉積物的生成。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介:史留慶,男,山西運(yùn)城,工程師,工程碩士。endprint

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