淺析水泥窯富氧煅燒的節(jié)能減排效果

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

摘 要 在采用富氧煅燒技術(shù)后預(yù)分解窯的產(chǎn)量提高、產(chǎn)品質(zhì)量改善、煤電耗降低、需使用的空氣量和排放的廢氣量減少，而這些指標(biāo)的變化最根本的原因就是因?yàn)榛鹧鏈囟瓤梢蕴岣吆洼椛淠芰訌?qiáng)。實(shí)踐表明，富氧煅燒技術(shù)與傳統(tǒng)空氣燃燒相比，節(jié)約煤耗約5%～10%，噸熟料二氧化碳排放量約降低16～33 kg/t。但富氧氣體的含氧量不是越高越好，控制在26%～31%之間才能取得最佳的經(jīng)濟(jì)效果。如果設(shè)備選型合理，脫硝效率一般可以達(dá)到15%左右或者更高一些，但不會超過20%，能夠降低脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

關(guān)鍵詞 富氧煅燒 煤耗 排放量 脫硝

淺析水泥窯富氧煅燒的節(jié)能減排效果

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

摘 要 在采用富氧煅燒技術(shù)后預(yù)分解窯的產(chǎn)量提高、產(chǎn)品質(zhì)量改善、煤電耗降低、需使用的空氣量和排放的廢氣量減少，而這些指標(biāo)的變化最根本的原因就是因?yàn)榛鹧鏈囟瓤梢蕴岣吆洼椛淠芰訌?qiáng)。實(shí)踐表明，富氧煅燒技術(shù)與傳統(tǒng)空氣燃燒相比，節(jié)約煤耗約5%～10%，噸熟料二氧化碳排放量約降低16～33 kg/t。但富氧氣體的含氧量不是越高越好，控制在26%～31%之間才能取得最佳的經(jīng)濟(jì)效果。如果設(shè)備選型合理，脫硝效率一般可以達(dá)到15%左右或者更高一些，但不會超過20%，能夠降低脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

關(guān)鍵詞 富氧煅燒 煤耗 排放量 脫硝

0 引言

當(dāng)通過某種技術(shù)措施生產(chǎn)出高于當(dāng)?shù)乜諝庵醒鹾康臍怏w，將這種氣體稱為“富氧氣體”。例如，在平原地區(qū)的空氣中氧含量約為21%，將部分氧氣混入這種空氣中，則這種空氣中的氧含量就高于21%，將這種空氣就稱為“富氧空氣”或“富氧氣體”。當(dāng)氣體中的氧含量達(dá)到85%～100%時，將這種氣體則稱為“全氧氣體”[1]。眾所周知，燃料的燃燒就是劇烈的氧化，燃料要燃燒就必須有氧氣供給，通常的燃料燃燒所需要的氧氣都是利用空氣中所含的氧氣。利用富氧空氣或者富氧氣體供給燃料燃燒之需，稱為“富氧燃燒”，利用全氧氣體供給燃料燃燒，則稱為“全氧燃燒”。由于全氧燃燒在工程上還存在一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題，所以現(xiàn)在還是一種純理論的探討和分析，在工程上至今也未見有應(yīng)用燃燒的實(shí)例。利用富氧燃燒必須通過一定的技術(shù)措施才能滿足工程的需要，將這些技術(shù)措施就稱為“富氧燃燒技術(shù)”。如膜法制氧技術(shù)的成熟，就為富氧燃燒技術(shù)提供了技術(shù)和物資條件。富氧燃燒技術(shù)是一項(xiàng)高效強(qiáng)化的燃燒技術(shù)，或者說是一項(xiàng)高效節(jié)能和環(huán)保的燃燒技術(shù)，在玻璃工業(yè)、冶金工業(yè)和熱能工程領(lǐng)域中都早有工程應(yīng)用，最近在水泥工業(yè)的回轉(zhuǎn)窯上也有應(yīng)用，并取得了可喜的效果。因?yàn)樗嗷剞D(zhuǎn)窯是煅燒水泥熟料的設(shè)備，在水泥回轉(zhuǎn)窯上應(yīng)用富氧燃燒技術(shù)就應(yīng)稱為“富氧煅燒”或者“富氧煅燒技術(shù)”。

水泥回轉(zhuǎn)窯采用富氧煅燒技術(shù)具有很大的優(yōu)越性，不僅能大大提高煤粉的燃燒速率和燃盡率，還能提高火焰的溫度和黑度，進(jìn)而改善熟料的煅燒和窯內(nèi)的傳熱條件，使窯的產(chǎn)量提高、質(zhì)量改善，熱耗降低，增產(chǎn)節(jié)能非常顯著，尤其對低質(zhì)煤的應(yīng)用更有特殊的意義。同時還可使燃料燃燒的廢氣量減少，因而可以減少窯尾高溫風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，減小收塵器的規(guī)格，降低功率消耗和基建投資，進(jìn)一步節(jié)省燃料，同時還可以降低有害氣體的排放，尤其是降低有毒的NOx排放。在處理工業(yè)廢棄物的窯中應(yīng)用，更有獨(dú)特的優(yōu)越性。但因?qū)煔饷撓鯖]有貢獻(xiàn)，所以在此不作更多介紹。利用富氧煅燒技術(shù)可取得增產(chǎn)降耗和節(jié)能減排的雙重良好效果。顯然，這一新技術(shù)在水泥工業(yè)燒成系統(tǒng)中應(yīng)大力推廣，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)意義。因此，國家已把這項(xiàng)新技術(shù)列入“十二五”國家科技支撐計(jì)劃，是中國建材總院承擔(dān)的十二個國家科技支撐計(jì)劃的課題之一，將成為水泥工業(yè)節(jié)能減排的重要技術(shù)之一。2014年3月20日，科技部發(fā)布了《節(jié)能減排與低碳技術(shù)成果轉(zhuǎn)化推廣清單（第一批）的公告》，將“水泥膜法富氧燃燒技術(shù)”列為水泥工業(yè)的“預(yù)燒成窯爐技術(shù)”和“水泥行業(yè)能源管理和控制系統(tǒng)”三項(xiàng)中的首項(xiàng)，屬于能效提高技術(shù)類。與傳統(tǒng)空氣燃燒相比，節(jié)約煤耗約5%～10%，噸熟料二氧化碳排放量約降低16～33 kg/t。

本文現(xiàn)對水泥窯預(yù)分解窯采用富氧煅燒的節(jié)能減排效果進(jìn)行淺析，供有關(guān)人士參考。

1 富氧煅燒技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展簡介

迄今為止，人類消費(fèi)的能源80%是通過燃燒途徑應(yīng)用的，而燃燒過程的排放物也是造成環(huán)境污染的主要來源。如何提高資源的利用率，并在利用的同時盡可能地降低對環(huán)境造成的影響，各種高效率、低污染的燃燒技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。富氧燃燒技術(shù)是高效燃燒技術(shù)的一種，發(fā)達(dá)國家將其稱為“資源的創(chuàng)造性技術(shù)”，早已在燃燒的多個工程領(lǐng)域有所應(yīng)用，都取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

在美國，1984年將膜法富氧技術(shù)應(yīng)用于銅冶煉爐，取得節(jié)能大于30%的顯著效果。在一個玻璃廠用23%的富氧空氣燃燒，產(chǎn)量增加12.3%，節(jié)能約9%，成品率提高3%～10%，灰泡數(shù)量下降40%，爐齡延長了5～6個月。

在日本，近年來約有20家公司先后推出了富氧裝置。通過在以燃?xì)?、燃油和煤粉為燃料的不同工程中進(jìn)行了富氧燃燒的應(yīng)用試驗(yàn)，得出了以下結(jié)果：用23%的富氧空氣燃燒可節(jié)能10%～25%，用25%的富氧空氣燃燒可節(jié)能20%～40%，用27%的富氧燃燒可節(jié)能30%～50%等。

在我國，1980年首次在甘肅白銀有色金屬公司冶煉廠采用了富氧燃燒的冶煉技術(shù)，達(dá)到了節(jié)約能源、強(qiáng)化熔煉和根治污染的目的，使我國冰銅生產(chǎn)工藝的富氧燃燒熔煉技術(shù)獲得完全成功[2]。1989年中科院大連物理化學(xué)研究所和北京玻璃集團(tuán)合作，將“局部增氧”和“梯度燃燒”應(yīng)用于玻璃池窯，所用富氧空氣量僅有二次風(fēng)量的1%左右，而進(jìn)風(fēng)量和引風(fēng)量均下降了1/4～1/2左右，增產(chǎn)節(jié)能和環(huán)保效益十分顯著。2010年4月1日，我國首條采用富氧煅燒技術(shù)水泥熟料燒成系統(tǒng)在山東煙臺海洋水泥有限公司正式投入運(yùn)行，使用天津市博納建材高科技研究所研發(fā)的TJB-KP-2型高效低NOx四風(fēng)道煤粉燃燒器。測試表明，在不增加燃料的前提下使火焰溫度提高了180 ℃，節(jié)能效果十分顯著[3]。云南昆鋼嘉華水泥建材有限公司的海拔高度1 930 m，為解決燒空氣干燥基低位熱值17 069 kJ/kg（4 077 kCal/kg）劣質(zhì)低揮發(fā)分煤粉的問題，于2011年10月13日在設(shè)計(jì)能力4 000 t/d熟料的Ф4.8 m×74 m 2號NSP窯進(jìn)行了富氧煅燒的試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的氧氣是用液氧槽車運(yùn)到現(xiàn)場，經(jīng)槽車蒸發(fā)器將液氧氣化，然后摻入凈風(fēng)管道通過燃燒器噴出進(jìn)行富氧煅燒。試驗(yàn)結(jié)果表明，在高海拔燒劣質(zhì)低揮發(fā)分煤的情況下，窯產(chǎn)量提高5%，節(jié)煤約4%～5%，一次風(fēng)用量減少5%等。因用煤量和一次風(fēng)用量都減少，顯然NOx的排放肯定會減少。但是，該公司主要是為了燒劣質(zhì)低揮發(fā)分煤而進(jìn)行的試驗(yàn)，使用外購2 000元/t的液態(tài)氧，共17 t。即使如此，每噸熟料成本還降低了2.52元/t[3]。河南汝州市天瑞集團(tuán)水泥公司設(shè)計(jì)能力5 000 t/d熟料水泥生產(chǎn)線，采用了富氧煅燒技術(shù)，整套設(shè)備由煙臺華盛燃燒設(shè)備工程有限公司提供[4]。為了考察富氧煅燒的效果，從2012年11月14日至11月18日進(jìn)行了120小時無富氧煅燒的基準(zhǔn)測試。從11月19日至11月24日又進(jìn)行了144小時連續(xù)富氧煅燒測試。結(jié)果表明，雙方認(rèn)可的節(jié)煤率為8.18%。于2012年11月25日富氧煅燒技術(shù)投入正式運(yùn)行，經(jīng)過192 h的運(yùn)行，節(jié)煤效果非常明顯，達(dá)到了10.19%。新疆阿克蘇多浪水泥有限公司在一條Ф4.6 m×64 m NSP窯水泥生產(chǎn)線上也進(jìn)行了富氧煅燒的試驗(yàn)，氧氣是利用氧氣瓶的氧氣，也取得了可觀的效果。

由上述可見，富氧煅燒技術(shù)隨著膜法制氧的成熟，富氧氣體的成本不斷降低，在水泥工業(yè)的應(yīng)用已有了階段性的效果。

2 富氧煅燒NOx排放減少

眾所周知，對于在回轉(zhuǎn)窯燒成系統(tǒng)中NOx的生成和排放，溫度和氧濃度是兩個最主要的影響因素?？墒牵捎酶谎蹯褵∏∈鞘够鹧鏈囟忍岣吆脱鯕鉂舛仍龃?，按常規(guī)理解NOx的生成和排放應(yīng)該增大，可實(shí)際上不僅不增大反而減小，而且富氧空氣的氧含量越大，NOx的生成和排放越小。通過在設(shè)計(jì)能力為5 000 t/d的熟料燒成系統(tǒng)對排放廢氣的在線檢測結(jié)果就可得到證明，詳見表1。由表1可以看到，NOx的排放由583.533 mg/Nm3降到492.315 mg/Nm3，降低了約16%。這是什么原因呢？下面進(jìn)行分析。

2.1 富氧煅燒減少燃料用量

當(dāng)前，水泥回轉(zhuǎn)窯和分解爐所用的燃料基本上都是煤粉。具體地說，采用富氧煅燒后可以節(jié)煤。文獻(xiàn)[5]通過對一條設(shè)計(jì)能力為5 000 t/d熟料實(shí)際能力達(dá)到5 500 t/d的熟料Ф4.8 m×74 m NSP窯燒成系統(tǒng)運(yùn)行的基本參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，得出了單位水泥熟料用煤量與富氧空氣中氧含量的變化規(guī)律，如圖1所示。

表1 一條設(shè)計(jì)能力為5 000 t/d的熟料水泥生產(chǎn)線對廢氣排放的檢測結(jié)果

由圖1可見，單位水泥熟料的煤耗隨富氧空氣氧濃度不斷增大而逐漸降低，降低的幅度在富氧空氣中氧含量在50%以下時最為顯著。文獻(xiàn)[6]通過對低熱值煤在富氧條件下燃燒的分析，也得到了同樣結(jié)論。當(dāng)空氣中氧含量由21%增加到27%時，可節(jié)省5.5%的煤。當(dāng)氧氣濃度增加到30%時，可節(jié)煤7.6%，詳見表2。

圖1 單位水泥熟料耗煤量隨富氧空氣中氧含量增大的變化曲線

采用富氧煅燒能夠加快燃料的燃燒速度和燃盡率。試驗(yàn)表明，氫氣在空氣中的燃燒速度為280 cm/s，可在純氧中的燃燒速度為1 175 cm/s，是在空氣中的約4.2倍。天然氣在空氣中的燃燒速度與在純氧中的燃燒速度，相差高達(dá)10.7倍左右，這對低質(zhì)煤的應(yīng)用特別重要。表3所列為石油焦在不同溫度和氧濃度下燃盡時間的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，氧濃度越高、石油焦顆粒越小，燃盡時間越短。對飛灰中的石油焦粉，在氧濃度為33%時的燃盡時間比在普通空氣中縮短了144～192倍。在相同時間的情況下，燃燒速度的加快，燃盡時間的縮短，必將使燃燒更加完全。因燃盡率提高，使熱量的利用率提高。用普通空氣燃燒，當(dāng)爐膛溫度為1 300 ℃時的熱量利用率為42%。當(dāng)用26%氧濃度的富氧空氣燃燒時，其熱量利用率增加到56%，即增加了33%左右。氧濃度越大，加熱溫度越高，熱量利用率增大的就越明顯，節(jié)能效果就越顯著。

在同樣產(chǎn)量條件下耗煤量減少，煤中的氮含量相對減少，因此氮氧化合物NOx的生成和排放就會減少。

由于用煤量減少，用氣量相對減少。當(dāng)采用富氧煅燒技術(shù)，所用空氣量就更少，空氣中的氮?dú)庖簿透伲@然NOx的生成和排放就會更少。

煤炭是由碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）以及很少量的其它元素所構(gòu)成，典型的無礦物質(zhì)成分列在表4中[7]。用煤量減少，其中的氮含量隨之減少。顯然，由燃料氮生成的氮氧化物NOx就會減少。用煤量減少的越多，NOx的生成和排放也就會減少的越多。

2.2 富氧煅燒所需的空氣量減少

由于所需的燃料量減少，所以燃料燃燒所需的空氣量減少。根據(jù)5 500 t/d生產(chǎn)線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過物料平衡和熱平衡計(jì)算，可以得到單位水泥熟料所需空氣量隨其氧含量的變化而變化的規(guī)律，詳見表5所列[5]。

在平原地區(qū)，空氣中氧含量約為21%，氮含量約為78%，其它氣體1%，參見表6。

表2 低熱值煤炭在不同全富氧濃度中的燃燒溫度

表3 不同溫度和氧濃度下石油焦燃盡時間的室內(nèi)試驗(yàn)

表4 煤炭典型的無礦物質(zhì)成分 %

煤粉燃燒主要是利用空氣中的氧，當(dāng)氧含量增加后，就意味氮?dú)夂繙p少。氮氧化物NOx都是燃料燃燒所用空氣中之氮被氧化而生成，富氧空氣中的氮?dú)夂吭缴?，燃燒產(chǎn)物的NOx含量就會越少，而NO約為燃燒產(chǎn)物中氮氧化物NOx的90%以上，顯然NOx的生成就會越少。例如，當(dāng)富氧空氣中氧含量的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%時，比21%增加了9%，則氮?dú)饩拖鄬p少9%，其體積分?jǐn)?shù)即減少到69%。當(dāng)采用這種富氧空氣燃燒，則NOx就會相應(yīng)減少約9%。

表5 當(dāng)煤粉完全燃燒時所需不同氧含量的富氧空氣量

表6 在平原地區(qū)空氣中各種氣體的體積分?jǐn)?shù)含量

2.3 富氧煅燒廢氣量減少

文獻(xiàn)[5]對一條設(shè)計(jì)能力為5 000 t/d的熟料NSP窯水泥生產(chǎn)線進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，在產(chǎn)量達(dá)到5 500 t/d熟料時，窯尾預(yù)熱器出口廢氣量隨氧濃度的增大而逐漸減少的規(guī)律，見表7和圖2。可以看出，當(dāng)氧含量在50%以下廢氣量減少的比較明顯。當(dāng)氧含量超過50%時則廢氣量減少得就不明顯，這個規(guī)律與圖1用煤量減少的規(guī)律極為相似。

廢氣量減少的越多，NOx的排放量也就隨之減少。煤粉燃燒后所產(chǎn)生煙氣的成分相當(dāng)復(fù)雜，可以有C、H、O、N、S、CO2、H2O、NO、SO2、CO、 OH、H2、O2和N2等14個組分存在，實(shí)際上有的組分微乎其微，完全可以忽略不計(jì)。從回轉(zhuǎn)窯窯尾預(yù)熱器出口廢氣的檢測看，廢氣中主要成分為CO2、CO、NOx、SOx、HF、HCl等，詳見表8[8]。

表7 預(yù)熱器出口廢氣量隨氧濃度增大的變化規(guī)律

2.4 在高溫區(qū)的停留時間短

采用富氧煅燒技術(shù)將燃料本身具有的能量得

以比較集中地釋放出來，用在它該用的地方，減少了燃燒的“邊際效應(yīng)”。不僅避免了原由于不完全燃燒導(dǎo)致的它在不該用的地方繼續(xù)燃燒造成的能源浪費(fèi)，而且可避免燃燒時間的延長，使氣體在高溫區(qū)的停留時間縮短。由于煤粉在不同氧含量下或者說在不同的氧體積分?jǐn)?shù)下的實(shí)驗(yàn)所得熱重分析DTG曲線（圖3）可以看出，氧體積分?jǐn)?shù)ψ（O）的增加使得DTG曲線向低溫區(qū)域移動，表明同樣煤粉在富氧條件下的著火溫度降低。另外也表明，煤樣從開始燃燒到燃盡所需的時間縮短。由此可見，采用富氧煅燒技術(shù)雖然能夠提高火焰溫度，但是因?yàn)樵诟邷貐^(qū)的停留時間縮短，所以可以降低NOx的生成和排放。NOx的形成與燒成溫度有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。實(shí)驗(yàn)表明，燃燒溫度在1 550～1 900 ℃之間時，NOx生成量呈指數(shù)規(guī)律增加，在1 750 ℃以上時幾乎呈直線增大，水泥回轉(zhuǎn)窯的火焰溫度恰在這個區(qū)間。采用富氧煅燒技術(shù)提高了燃料的燃燒速率和燃燒強(qiáng)度，會使火焰縮短，為加大燃燒器軸向風(fēng)風(fēng)速創(chuàng)造了條件。軸流風(fēng)風(fēng)速的加大，在保持火焰總體強(qiáng)度基本不變的情況下，將火焰核心區(qū)扁平化拉長，降低了火焰的最高溫度，縮短了1 700 ℃以上的高溫區(qū)段，延長了1 700 ℃以下的核心區(qū)間。因此，在保證燒成帶煅燒強(qiáng)度的同時能夠降低NOx生成的機(jī)會。

表8 水泥窯污染物的典型排放數(shù)據(jù)

圖2 出預(yù)熱器廢氣量隨氧含量增大的變化規(guī)律

圖3 煤在不同氧體積分?jǐn)?shù)下的DTG曲線

2.5 燃燒穩(wěn)定

合肥院對全國部分預(yù)分解窯氮氧化物NOx的排放進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明，運(yùn)行穩(wěn)定同規(guī)格的水泥窯，其NOx的排放都相對較低，相反運(yùn)行較差的水泥窯，NOx的排放都相對較高。這是因?yàn)檫\(yùn)行穩(wěn)定的水泥窯能夠減小煅燒峰值溫度，抑制了NOx的形成。試驗(yàn)證明，采用富氧煅燒技術(shù)確實(shí)能促進(jìn)水泥窯的穩(wěn)定運(yùn)行，從而可以抑制NOx的形成，減少其排放。

2.6 CO含量增加

采用富氧煅燒技術(shù)，富氧氣體中的氧含量增加，使燃燒產(chǎn)物中的CO含量增加，有利于氮氧化物的還原，進(jìn)而減少NOx的排放。

以上這些都是根據(jù)NOx形成和排放成因而分析的，要準(zhǔn)確解析采用富氧煅燒技術(shù)會使NOx排放減少準(zhǔn)確的原因，還需進(jìn)行更進(jìn)一步深入地研究，掌握影響NOx形成各種因素的比例。

3 結(jié)束語

任何一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)都必須以用戶獲得最大效益為核心，以取得少花錢多辦事的良好效果。采用富氧煅燒技術(shù)也不例外，必須使企業(yè)投入盡可能低的資金而獲取最大化的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會效益。

眾所周知，在采用富氧煅燒技術(shù)后可以使窯的產(chǎn)量提高、質(zhì)量改善、煤電耗降低、需使用的空氣量和排放的廢氣量減少，而這些指標(biāo)的變化最根本的原因就是因?yàn)榛鹧鏈囟瓤梢蕴岣吆洼椛淠芰訌?qiáng)。研究表明，考慮到綜合效益，富氧氣體的含氧量不是越高越好，因?yàn)楹趿吭礁咝枰ㄙM(fèi)更大的代價，綜合效益反而降低，如圖4所示。由此可見，富氧氣體的含氧量控制在26%～31%之間才能取得最佳的經(jīng)濟(jì)效果。

圖4 富氧濃度與火焰溫度和相對效益的關(guān)系曲線

由上述可見，采用富氧煅燒技術(shù)具有顯著節(jié)能、降低基建投資和降低有害氣體排放等許多優(yōu)越性。對于二氧化碳CO2的減排，噸熟料可降低16～33 kg/t，但對脫硝效率而言并不特別顯著。有的水泥企業(yè)采取簡易措施進(jìn)行富氧煅燒試驗(yàn)，NOx的排放不但沒有降低反而增高，導(dǎo)致對這一先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)生疑慮，不敢輕易再建設(shè)成熟的富氧煅燒裝置。但由大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐可以看出，如果設(shè)備選型合理，管理到位，其脫硝效率一般都可以達(dá)到15%左右或者更高一些，但不會超過20%。即使如此，作為采用富氧煅燒技術(shù)的副產(chǎn)品也是可觀的，可以降低脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

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2015-05-08）

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008-0473(20 5)04-000 -06

0. 6008/j.cnki. 008-0473.20 5.04.00