搗固焦?fàn)t高壓氨水消煙的數(shù)值模擬

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搗固焦?fàn)t高壓氨水消煙的數(shù)值模擬

陳光1a，陳賽1a，鄭光明2，董璐1b，閆丹1a，王雙1a

（1.安徽工業(yè)大學(xué)a.能源與環(huán)境學(xué)院，b.建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002; 2.安徽同興環(huán)保工程技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽馬鞍山238100）

摘要：搗固焦?fàn)t采用高壓氨水噴射消煙技術(shù)控制裝煤產(chǎn)生的煙塵。為研究裝煤時(shí)氨水噴射速度與炭化室產(chǎn)氣量之間的關(guān)系，基于工藝過程和Fluent軟件將某鋼廠4.3 m搗固焦?fàn)t引射排氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化成二維模型，采用Mixture模型對(duì)氨水噴射過程進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：氨水噴射速度保持不變時(shí)，隨著炭化室產(chǎn)氣量增加，炭化室機(jī)側(cè)爐門的氣體由向室內(nèi)流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚴彝饬鲃?dòng)；裝煤時(shí)集氣管煙氣量為0.6 m3/s時(shí)，為保證機(jī)側(cè)爐門氣體靜止，所需氨水噴射速度為28.4 m/s；炭化室機(jī)側(cè)爐門氣體保持靜止時(shí)，隨著炭化室產(chǎn)氣量增加，氨水噴射速度隨之幾乎呈線性增加。

關(guān)鍵詞：搗固焦?fàn)t；高壓氨水；Mixture模型；數(shù)值模擬

搗固焦?fàn)t因其能夠增加高揮發(fā)分和弱黏結(jié)煤用量、提高焦炭質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)已成為煉焦技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。裝煤煙塵治理成為制約搗固焦?fàn)t工藝進(jìn)一步發(fā)展的重要因素[1-2]。搗固焦?fàn)t采用側(cè)裝煤，裝煤時(shí)由于機(jī)側(cè)爐口長(zhǎng)時(shí)間處于敞開狀態(tài)，炭化室內(nèi)產(chǎn)生的煙塵量大，壓力較高，易造成煙塵和荒煤氣從炭化室機(jī)側(cè)爐門處逸出，造成環(huán)境污染。若消煙處理效果不佳會(huì)對(duì)大氣環(huán)境及生產(chǎn)工作區(qū)域造成重度空氣污染[3-6]。

近年來，高壓氨水噴射消煙裝煤技術(shù)成為焦?fàn)t煙塵治理的發(fā)展方向。高壓氨水噴射消煙原理是在橋管部位噴射高壓氨水，氨水速度較大，以使上升管和炭化室形成較大吸力，可使上升管根部產(chǎn)生約200 Pa的負(fù)壓，在機(jī)側(cè)爐門處的壓力處于零壓或者微負(fù)壓，將裝煤時(shí)產(chǎn)生的大量煙氣導(dǎo)入炭化室，可有效地減少裝煤時(shí)機(jī)側(cè)爐口逸出的煙塵量。但是若高壓氨水噴射卷吸煙氣所形成的負(fù)壓不足或者負(fù)壓過大，則會(huì)造成機(jī)側(cè)爐門處室內(nèi)煙塵外冒或者室外空氣灌入，而這兩種情況在實(shí)際生產(chǎn)中均要避免。因此，如何匹配上升管處高壓氨水噴射的速度與炭化室裝煤時(shí)產(chǎn)氣量之間的關(guān)系，是解決該問題的關(guān)鍵。目前有學(xué)者對(duì)搗固焦?fàn)t煙塵處理進(jìn)行了相關(guān)的研究，羅時(shí)政等[7]開發(fā)了炭化室壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并與高壓氨水噴射結(jié)合，解決了結(jié)焦末期出現(xiàn)負(fù)壓的問題，具有一定效果。趙洪波等[8]在集氣管上增加高壓氨水噴灑管道，利用高壓氨水與除塵車聯(lián)合操作，達(dá)到除塵效果。邵豐等[9]探討了高壓氨水噴嘴結(jié)構(gòu)、安裝位置、直徑及壓力對(duì)煙塵疏導(dǎo)效果的作用和規(guī)律，為煙塵疏導(dǎo)工藝的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。賈仕文[10]采取增加爐頭煙塵回收系統(tǒng)、設(shè)置集氣管壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，解決搗固焦?fàn)t煙塵污染。獨(dú)立碳化室直接引射到集氣管容易產(chǎn)生安全危險(xiǎn)，采用聯(lián)通管將裝煤時(shí)候的煙氣聯(lián)通到隔壁的高溫碳化室，然后再?gòu)倪@個(gè)碳化室的上升管通過氨水引射到集氣管中。

本文將某鋼廠搗固焦?fàn)t的碳化室-聯(lián)通管-隔壁碳化室-橋管-集氣管和氨水引射裝置所構(gòu)成的系統(tǒng)簡(jiǎn)化成二維模型，基于FLUENT軟件，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)高壓氨水噴射速度與炭化室產(chǎn)氣量之間的關(guān)系進(jìn)行研究。在保證機(jī)側(cè)爐門處氣體靜止的前提下，探討高壓氨水噴射速度與炭化室產(chǎn)氣量之間的關(guān)系，其結(jié)果對(duì)于防止室內(nèi)煙氣的逸出或者室外冷空氣的灌入具有一定的實(shí)際意義。

1　幾何模型的創(chuàng)建及網(wǎng)格劃分

1.1幾何模型創(chuàng)建

模型基于某焦化廠的高度為4.3 m搗固焦?fàn)t。該廠搗固焦?fàn)t采用高壓氨水噴射消煙裝煤，在裝煤時(shí)利用U型管導(dǎo)煙車將該炭化室煙氣導(dǎo)入到相鄰處于結(jié)焦末期的炭化室，進(jìn)而在上升管高壓氨水高速噴射作用下，煙氣被卷吸入集氣管，如圖1所示。

由于炭化室尺寸較大，因此將其簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行研究，如圖2所示。模型的簡(jiǎn)化思路是盡量將簡(jiǎn)化后管路的阻力損失及流量與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一致。對(duì)于4.3 m搗固焦?fàn)t，炭化室長(zhǎng)×寬×高為14.0 m× 0.5 m×4.3 m，其中煤餅距離爐頂?shù)母叨?.3 m，本文取炭化室沿長(zhǎng)度方向的垂直截面及上升管集氣管的垂直截面進(jìn)行研究，其中U型連通管在現(xiàn)場(chǎng)是水平連接兩炭化室，本模型在由三維簡(jiǎn)化成二維的過程中，將U型連通管簡(jiǎn)化為圖2中所示的方式，在簡(jiǎn)化過程中保證局部阻力損失不變。具體的簡(jiǎn)化思路如下：搗固焦?fàn)t在裝煤時(shí)，炭化室的焦側(cè)為關(guān)閉狀態(tài)，可認(rèn)為煙氣靜止，因此只取炭化室長(zhǎng)度的一半進(jìn)行研究，對(duì)整個(gè)管路的阻力影響不大，即圖中炭化室長(zhǎng)度為7.0 m；煤餅高度為4.0 m，炭化室的凈高則為0.3 m，煙氣只在煤餅上方流動(dòng)，因此圖中簡(jiǎn)化的炭化室寬度即為炭化室的凈高0.3 m；為了模擬炭化室煙氣的產(chǎn)生，簡(jiǎn)化了一個(gè)2.0 m長(zhǎng)的產(chǎn)氣口，模擬時(shí)保證該產(chǎn)氣口的流量與實(shí)際煙氣發(fā)生量相同，由于炭化室的尺寸較大，產(chǎn)生的煙氣流速很低，因此在炭化室內(nèi)煙氣阻力損失較少，經(jīng)過測(cè)算此處阻力只占整個(gè)管路阻力的5%左右，進(jìn)行如此簡(jiǎn)化，對(duì)整個(gè)管路的阻力影響并不大；由于U型連通管中有密封裝置、調(diào)節(jié)閥、彎頭等，此處管路的阻力很大，如果按照實(shí)際的U型連通管的截面當(dāng)量直徑，則在簡(jiǎn)化成二維模型后阻力損失較小，經(jīng)過測(cè)算，截面為實(shí)際截面的1/4時(shí)，阻力損失與實(shí)際接近，因此取U型連通管的寬度為0.050 m；圖中U型連通管的長(zhǎng)度為現(xiàn)場(chǎng)U型連通管的實(shí)際長(zhǎng)度，即為2.6 m；對(duì)于相鄰處于結(jié)焦末期的炭化室的簡(jiǎn)化類似于裝煤炭化室；上升管處的氨水噴射裝置簡(jiǎn)化為一個(gè)矩形噴射口，噴口直徑為0.015 m，氨水噴射入口位于上升管與集氣管之間，向右下方傾斜45°，且圖中將集氣管進(jìn)行延長(zhǎng)，防止在計(jì)算時(shí)產(chǎn)生回流，改善模擬的穩(wěn)定性。

1.2網(wǎng)格劃分

文中使用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用三角形網(wǎng)格。由于模型中尺寸相差較大，因此采用非均勻網(wǎng)格劃分，對(duì)U型導(dǎo)管、氨水噴射出口等區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，以在網(wǎng)格盡量少的情況下保證網(wǎng)格精度。由于模型尺寸較大，因此選取局部網(wǎng)格如圖3所示。

本模型同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，在網(wǎng)格數(shù)量分別為3×104，6×104，12×104，20×104在同一工況下考察爐門出口處速度的大小，對(duì)比發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)為6×104，12×104，20×104之間的差值僅為1%，而3×104與6×104之間的差值為8%，因此綜合考慮可選取網(wǎng)格數(shù)為6×104進(jìn)行最終的模擬計(jì)算。

2　數(shù)學(xué)模型的建立

2.1數(shù)學(xué)方程描述

高壓氨水噴射入，由于氨水速度過高，產(chǎn)生對(duì)周圍煙氣的卷吸，此原理類似于射流泵，因此本文采用文獻(xiàn)[11]中射流泵的模擬方法，基于歐拉方法的兩相流Mixture模型。雖然炭化室中煙氣的產(chǎn)氣量少，流速較低，但是高壓氨水噴射入管道中后流速很高，同時(shí)氨水對(duì)煙氣的卷吸過程均為湍流，因此流動(dòng)過程為湍流，本文采用RNG k-ε湍流模型。

2.1.1Mixture模型的建立

Mixture模型可用于模擬各相有不同速度的多相流，但是在小空間尺寸上需假定局部保持平衡，而且相與相之間具有相當(dāng)強(qiáng)的耦合[12]，因此該模型可用于射流過程中氣液兩相流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算。

2.1.2連續(xù)性方程

式中：ρm為混合密度，kg/m3；υm為質(zhì)量平均速度，m/s；下標(biāo)m代表混合相。

2.1.3動(dòng)量方程

混合物模型的動(dòng)量方程可以通過對(duì)氣液兩相各自的動(dòng)量方程求和得到

式中：F為體積力，N；μm為混合相動(dòng)力黏度，N·s/㎡；g為重力加速度，m/s2；αp為氣泡相所占的體積分?jǐn)?shù)；αq為流體相所占的體積分?jǐn)?shù)；ρq為流體相密度，kg/m3；ρp為氣泡相密度，kg/m3；υdr,q為二次流體相的漂移速度，m/s；υdr,p為二次氣泡相的漂移速度，m/s；下標(biāo)q代表流體相，p代表氣泡相。

2.1.4氣相體積分?jǐn)?shù)方程

氣泡相對(duì)于混合速度有一個(gè)漂移速度。根據(jù)氣泡相的連續(xù)性方程，可以得到氣泡相體積分?jǐn)?shù)方程

2.1.5湍流模型

采用RNG k-ε模型。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比，RNG k-ε模型通過修正湍流粘度，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況[13]。

k方程

ε方程

2.2邊界條件及收斂標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1裝煤炭化室煙氣量計(jì)算

研究對(duì)象是某鋼廠的2×49孔的4.3 m搗固焦?fàn)t，需要對(duì)裝煤時(shí)產(chǎn)生的煙氣量進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而確定模擬的邊界條件。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中炭化室裝煤煙氣量的計(jì)算方法，確定本炭化室裝煤煙氣量。4.3 m搗固焦?fàn)t裝煤量為21 t/孔，煉焦過程中的煤氣發(fā)生量為320 m3/t，結(jié)焦時(shí)間炭化室寬為500 mm的取24 h計(jì)算，由此得結(jié)焦時(shí)煙氣產(chǎn)量V0=0.078 m3?s，對(duì)于裝煤過程中產(chǎn)生的煤氣量約為結(jié)焦過程中煤氣發(fā)生量的7倍，則裝煤時(shí)本孔炭化室的產(chǎn)氣量V1=7×V0=0.55 m3?s。因裝煤時(shí)相鄰炭化室處于結(jié)焦末期，產(chǎn)氣量相對(duì)較少，約為初裝煤時(shí)的50%，則相鄰炭化室的產(chǎn)氣量V2=0.039 m3/s，裝煤時(shí)集氣管的流量V=V1+V2=0.6 m3/s。

2.2.2邊界條件及收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置

將產(chǎn)氣口、氨水噴口邊界設(shè)置為速度入口邊界，產(chǎn)氣量取值為0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 m3/s等一系列值，氨水噴射速度取值為20，25，30，35，40 m/s等一系列值，入口湍流取值按水力直徑及湍流強(qiáng)度給定；機(jī)側(cè)爐門邊界設(shè)置為壓力出口邊界，且壓力為大氣壓，即為零壓；集氣管出口設(shè)置為自由出流邊界。

收斂標(biāo)準(zhǔn)：連續(xù)性方程、湍流方程、混合相方程各殘差均10-3。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1流場(chǎng)模擬分析

取氨水噴射速度為20 m/s，炭化室產(chǎn)氣量為0.2 m3/s，對(duì)該工況模擬得到速度矢量圖分布（圖4）和機(jī)側(cè)爐門及氨水噴射出口局部速度矢量圖（圖5）。

從圖4可以看出，由于氨水噴出速度較高，射入上升管中時(shí)，由于氣、液之間的較大的速度差，以及粘性力作用，導(dǎo)致液體周圍的煙氣被卷吸，產(chǎn)生負(fù)壓，從而使炭化室內(nèi)的煙氣向上升管流動(dòng)，由于此時(shí)該炭化室煙氣量較小，導(dǎo)致產(chǎn)生的負(fù)壓過大，導(dǎo)致機(jī)側(cè)爐門的氣流向室內(nèi)流動(dòng)。從圖5可以看到在機(jī)側(cè)爐門處氣體的流動(dòng)方向向內(nèi)，表明室外冷風(fēng)在向室內(nèi)灌入。

取氨水噴射速度為20 m/s，炭化室產(chǎn)氣量為0.4 m3/s，對(duì)該工況模擬得到壓力云圖分布（圖6）和側(cè)爐門局部速度矢量圖（圖7）。

從圖6可以看出，若產(chǎn)氣量增大到0.4 m3/s時(shí)，對(duì)機(jī)側(cè)爐門處的局部速度矢量場(chǎng)進(jìn)行分析。由于此時(shí)該炭化室的產(chǎn)氣量較大，導(dǎo)致高速氨水卷吸氣流所形成的負(fù)壓無法帶走大量的煙氣量，因此導(dǎo)致炭化室機(jī)側(cè)爐門的煙氣是向外流動(dòng)。從圖7可以看出機(jī)側(cè)爐門處的氣流方向向外，表明炭化室內(nèi)的煙氣在向室外逸出。

3.2模擬結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬得出的計(jì)算結(jié)果，將在不同氨水噴射速度情況下改變炭化室不同產(chǎn)氣量所得到機(jī)側(cè)爐門速度變化置于一張圖中進(jìn)行比較，如圖8所示（圖中約定負(fù)號(hào)表示機(jī)側(cè)爐門氣流方向向內(nèi)）。

以氨水噴射速度為20 m/s且保持不變時(shí)為例，從圖8可以看出：產(chǎn)氣量在0.2 m3/s時(shí)，機(jī)側(cè)爐門速度為-2.14 m/s，為負(fù)值，表明氣體流向炭化室內(nèi)，這是由于炭化室的產(chǎn)氣量較小，高壓氨水噴射產(chǎn)生的負(fù)壓較大，導(dǎo)致室外氣體向內(nèi)流入；當(dāng)炭化室產(chǎn)氣速度增加為0.4 m3/s時(shí)，機(jī)側(cè)爐門的速度為-0.005 5 m/s，接近于零且為負(fù)值，此時(shí)表明機(jī)側(cè)爐門口為微負(fù)壓，符合實(shí)際生產(chǎn)的工作要求；當(dāng)炭化室產(chǎn)氣量繼續(xù)增大為0.6，0.8，1.0 m3/s時(shí)，炭化室的產(chǎn)氣量增加，但是此時(shí)高壓氨水噴射形成的負(fù)壓已經(jīng)不足以將炭化室的氣體吸走，因此室內(nèi)氣體向外流動(dòng)，機(jī)側(cè)爐門處為正壓，且隨著產(chǎn)氣量的增加機(jī)側(cè)爐門處氣體向外的流動(dòng)速度也增加，分別為1.24，3.22，4.23 m3/s。在不同氨水噴射速度下，炭化室的產(chǎn)氣速度發(fā)生變化時(shí)，機(jī)側(cè)爐門的氣體流動(dòng)均表現(xiàn)為類似的情況：在一定氨水噴射速度下，隨著炭化室內(nèi)產(chǎn)氣量的增加，機(jī)側(cè)爐門的速度逐漸增大，且由負(fù)值逐漸變?yōu)檎担砻鳈C(jī)側(cè)爐門的氣體由向內(nèi)逐漸變化為向外流動(dòng)。

由圖8可看出：對(duì)于計(jì)算的某工況下炭化室裝煤時(shí)的煙氣量為0.6 m3/s，當(dāng)氨水噴射速度小于25 m/s時(shí)，機(jī)側(cè)爐門處的氣體速度為正值，表明此時(shí)氨水噴射速度較低，卷吸煙氣不能產(chǎn)生足夠負(fù)壓，因此煙氣流出炭化室外；當(dāng)氨水噴射速度增大至30 m/s以上時(shí)，機(jī)側(cè)爐門處的氣體速度為負(fù)值，表明此時(shí)高速氨水噴射卷吸煙氣所形成的負(fù)壓足夠大，導(dǎo)致機(jī)側(cè)爐門處的氣體吸入炭化室內(nèi)。由此可斷定當(dāng)產(chǎn)氣量為0.6 m3/s時(shí)，高壓氨水噴射應(yīng)控制速度在25~30 m/s范圍內(nèi)，根據(jù)計(jì)算得氨水噴射速度為28.4 m/s。此外，從圖8可以得出當(dāng)炭化室機(jī)側(cè)爐門處氣流速度為0 m/s時(shí)，在不同的氨水噴射速度下對(duì)應(yīng)的炭化室產(chǎn)氣量，數(shù)據(jù)見圖9。

從圖9可以看出，當(dāng)炭化室產(chǎn)氣速度增大時(shí)，氨水噴射速度也同步增加，且二者之間的變化幾乎呈現(xiàn)為線性變化。當(dāng)炭化室產(chǎn)氣量為0.4 m3/s，對(duì)應(yīng)的氨水噴射速度為20 m/s時(shí)，此時(shí)機(jī)側(cè)爐門氣體速度為零，即煙氣靜止；當(dāng)炭化室產(chǎn)氣量為0.53 m3/s時(shí)，氨水噴射速度為25 m/s，隨著炭化室產(chǎn)氣量增加，氨水噴射速度也相應(yīng)增加，這是因?yàn)楫?dāng)煙氣量增加時(shí)，此時(shí)炭化室內(nèi)的壓力增大，為了保證炭化室機(jī)側(cè)爐門處氣流靜止，需要增大氨水噴射速度，來增強(qiáng)在氨水的卷吸能力，以在炭化室形成更大的負(fù)壓，進(jìn)而將產(chǎn)生的煙氣帶走。因此在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，要根據(jù)產(chǎn)氣量的變化來調(diào)節(jié)氨水噴射的速度，以保證在機(jī)側(cè)爐門處既沒有煙氣外冒，也沒有空氣灌入。

4　結(jié)　論

通過對(duì)高壓氨水噴射消煙裝置的二維模型簡(jiǎn)化，采用基于歐拉方法的Mixture模型對(duì)氨水在煙氣中噴射的兩相流過程模擬，得出高壓氨水噴射速度與炭化室不同產(chǎn)氣量之間的關(guān)系，以及相對(duì)應(yīng)的機(jī)側(cè)爐門處氣體流動(dòng)的變化規(guī)律。

(1)在一定氨水噴射速度下，隨著炭化室內(nèi)產(chǎn)氣量的增加，機(jī)側(cè)爐門處氣體由向內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛲饬鲃?dòng)。

(2)對(duì)某工況下的裝煤時(shí)產(chǎn)氣量為0.6 m3/s，為保證機(jī)側(cè)爐門氣體靜止，根據(jù)計(jì)算得到氨水噴射速度為28.4 m/s。

(3)當(dāng)炭化室產(chǎn)氣速度增大時(shí)，氨水噴射速度也隨之增加，且二者之間的變化幾乎呈現(xiàn)為線性變化。

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責(zé)任編輯：丁吉海

Numerical Simulation of High Pressure Ammonia Liquor for Smokeless of Stamping Coke Oven

CHEN Guang1a, CHEN Sai1a, ZHENG Guangming2, DONG Lu1b, YAN Dan1a, WANG Shuang1a

(1.a Schoolof EnergyandEnvironmentEngineering,bSchoolofCivilEngineering&Architecture,Anhui University of Technology, Ma'anshan 243032, China; 2.Anhui Tongxing Environmental Protecting Engineering Co. Ltd., Ma'anshan 238100, China)

Abstract:The technology of high pressure ammonia liquor for smokeless was used to control the dust emission in stamping coke oven. In order to study the relationship between the ammonia injection rate and the carbonization chamber gas production, a 4.3 m stamping coke oven equipment of a steel plant was simplified as a two-dimensional model based on the proceeds and Fluent software, the two-phase process of high pressure ammonia liquor injection in rising pipe transmitting smoke was simulated by using Mixture model. The results show that: while the ammonia injection speed is a constant, as chamber gas production increases, the flow direction of the gas flowing in chamber by the side door gradually transforms to outdoor; When the production output of chamber gas is 0.6 m3/s, in order to ensure that the side door gas velocity is zero, ammonia injection rate required is 28.4 m/s; In order to ensure that the velocity of the gas in chamber side door is zero, ammonia injection speed increases almost linearly with the increase of chamber gas production.

Key words:stamping coke oven; high pressure ammonia liquor; mixture model; numerical simulation

作者簡(jiǎn)介：陳光(1963-)，男，河北玉田人，博士，教授，主要研究方向?yàn)闊峁だ碚撆c系統(tǒng)節(jié)能。

基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2011A056）

收稿日期：2015-05-21

文章編號(hào)：1671-7872(2015)-03-0245-06

doi：10.3969/i.issn.1671-7872.2015.03.009

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TP229