国内外石化行业火炬污染排放控制标准与规范研究
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国内外石化行业火炬污染排放控制标准与规范研究
王震东; 沈晓波; 修光利; 陈佳慧; 闫磊; 邹文君
【期刊名称】《《环境科学研究》》
【年(卷),期】2019(032)009
【总页数】8页(P1456-1463)
【关键词】火炬; 排放; 监测; 标准
【作者】王震东; 沈晓波; 修光利; 陈佳慧; 闫磊; 邹文君
【作者单位】华东理工大学资源与环境工程学院上海200237; 华东理工大学上海市环境保护化学污染物环境标准与风险管理重点实验室上海 200237; 华东理工大学国家环境保护化工过程环境风险评价与控制重点实验室上海200237; 上海污染控制与生态安全研究院上海200237
【正文语种】中文
【中图分类】X51
石化行业是排放VOCs (挥发性有机物)的重要行业之一,而火炬是石化行业VOCs 排放的一个重要环节. 火炬是炼油厂和石油化工厂生产中不可或缺的设施,目的是为了处理生产和突发事件过程中产生的可燃气体、有毒气体及未能及时应用的废气[1-2]等,从而保证装置的安全性并且降低化工厂废气对环境的污染.
由于火炬的高度和燃烧温度限制,火炬燃烧后VOCs排放的测定难度较大. 目前,上海市针对火炬VOCs排放量核算时,较常采用的方法为系数法,即取火炬98%
的燃烧效率计算污染物排放量. 但是,美国的部分测定数据表明,火炬排放有机物的燃烧效率不一定能稳定达到98%[3],火炬燃烧的产物及部分副产物(如CO2、CO、NOx、硫化物等)[4-7]仍会有部分残留,甚至在某些地区,火炬是高反应活性有机物的重要来源. 因此,对火炬燃烧产生VOCs的排放和控制标准的研究在近10年来得到了国外的高度重视.
近年来,我国也相继施行了一系列与火炬相关的标准,标准主要针对火炬的设计参数有一定的要求,但对火炬的日常监控、维护、排放监测等没有较为详细的规定,因此,对于火炬系统污染物的燃烧状况及其燃烧后污染物的排放浓度和排放总量的研究是目前急需解决的问题. 该研究从急需解决的问题出发,以期为上海市生态环境管理部门在火炬检测和监控方面建立适合本地区的标准体系提供技术支持,并为上海市火炬污染物排放控制标准的制定提供科学依据.
1 火炬的构成和排放
火炬分为地面火炬和高架火炬. 地面火炬分为地面开放式火炬和地面封闭式火炬两种,主要由燃烧器、防风消音墙、分级燃烧系统、安全措施等系统所组成,封闭式火炬还有长明灯点火装置. 高架火炬由点火系统、控制系统、火炬头、长明灯、外壁钢结构支撑及内部直立上升管道组成[8]. 火炬头作为废气燃烧的区域,能正常工作是火炬保持高燃烧效率的重要前提. 高架火炬的造价低且尾气处理量大,多数石化行业生产量较大,因此我国高架火炬的数量偏多;但是相对来说,地面火炬环保效果更好,无烟能力更强且便于维修,近10年来,我国才开始逐渐推行地面火炬. 近年来,部分学者针对火炬的燃烧和排放情况的研究发现了火炬燃烧排放造成的影响. Elvidge等[9]在2009年的记录报告中显示,2008年美国的燃气燃烧量为137×108 m3,相当于对大气中排放了超过2.78×108 t的CO2,而火炬排放就是其贡献者之一,为保持火炬使用过程中引燃火焰的长明,火炬需要持续燃烧天然气等助燃气体,从而造成了CO2的持续排放.
由表1可见:美国Harris县2006年火炬年排放HRVOC的量占本行业年排放量的比例均超过50%,对于独立存储仓库,火炬排放量占本行业年排放量的比例达96.3%,表明在化工行业中HRVOC排放量最多的区域仍在火炬燃烧的部分;所有行业火炬的污染物排放总量接近 3 000 t,因此火炬的燃烧排放是急需关注的问题. 表1 美国Harris县2006年各行业火炬HRVOC年排放量及占本行业HRVOC年排放量的比例[10]Table 1 Flare emission HRVOC and proportion of various industries in 2006 in Harris County, the United States[10]行业火炬HRVOC 年排放量∕t占本行业HRVOC年排放量的比例∕%化学制造278.364.6聚合物制造376.756.4烯烃制造460.063.5石油炼制308.756.3独立存储仓库45.896.3其他混合工业1469.560.8
2 火炬排放的表征与监测
2.1 火炬效率的表征
火炬系统作为废气处理的最终环节,其尾气处理能力对于整个企业的环保效果极为重要,而影响其尾气处理能力的因素主要有两个:燃烧效率(combustion efficiency, CE)和焚毁率(destruction and removal efficiency, DRE, 即摧毁和去除效率)[11-12]. 其中,燃烧效率指燃料燃烧后实际放出热量占其完全燃烧后放出热量的比值; 焚毁率指燃料燃烧后已分解转化的燃烧占总燃料的比值,即转换为CO或者CO2有机物的比率.
目前控制火炬燃烧效率和焚毁率的方法主要有两种:①通过控制火炬系统各部件的高性能和安全有效性来保证火炬的正常燃烧,如火炬头及其他设计参数等[13];②通过对引燃火焰和燃烧火焰[14]的监测监控手段实时反馈并控制火炬的燃烧状态,如废气和辅助气的组分、流量、热值等.
2.2 火炬的监测方法
目前国内外对火炬的测量方法主要有探测器法、DIAL(different absorption lidar,
差分吸收激光雷达系统)、CFD(computational fluid dynamics)、FTIR Spectrometer(fourier transform infrared Spectrometer)及系留气球法或遥控
载具系统等,但是由于火炬高温和辐射对测量设备的影响以及出于安全方面的考虑,火炬排放目前仍没有一个标准的测量方法.
探测器法是直接利用设备将特定的探测器放置火炬烟羽区域进行直接测量的方法,但其安全性较差. 1983年Mcdaniel[15]将长8.2 m的探测器悬吊至火炬的火焰处,对火炬排放的污染物种类、温度及火炬口处的风速等进行了测量.
DIAL是基于Lambert-Beer定律,当雷达系统发射的激光束波长与测量的污染物分子吸收波长相同时,激光的轻度会发生衰减,依据衰减的强弱判定气体的浓度,以此确定污染物的种类和浓度. Vasa[16]对中红外DIAL进行比较研究,并利用系
统在1.6和2 m的不同波长下进行温室效应气体CO2遥感测定,由于该方法可在一定范围内测定ρ(CO2),因此可适用于远程安全测量高架火炬的排放.
CFD是利用CFD模型将企业的整个火炬系统建模然后进行计算,是一种火炬的模拟系统. 2014年Singh等[17]将基于CFD建模的空气和蒸汽辅助乙烯火炬的研究用于调查重要的火炬运行参数,计算DRE、CE及HRVOCs/VOCs/NOx排放率以量化火炬性能.
系留气球法是指将特定的污染物采样或者测量仪器放置在小型系留气球中,控制气球的高度和位置对火炬排放气体进行测量和研究,该方法是对探测器法的改进,安全性也相对较低. 2012年庄盛智[18]利用小型系留气球搭载相应的分析测试仪器对中国台湾地区某厂两个高架火炬进行测试,利用测得的CO、CO2及非甲烷总烃
和黑炭的浓度计算燃烧效率和有机物的摧毁效率.
FTIR Spectrorneter原理是利用数字信号处理器系统控制扫描镜,收集干涉图并
进行傅里叶变换,光谱传输到个人电脑并通过识别算法进行分析. 2005年Harig
等[19]研究采用被动傅里叶变换红外光谱法对甲烷进行远程检测,以便在检查航班
期间能够直接测定直升机排放的甲烷浓度. 由于傅里叶变换红外遥测具有远距离遥测的技术,因此目前在远距离测量大气污染物种类及浓度方面应用颇多.
以上的火炬测试结果均表明,在火炬的实际燃烧过程中,仍伴有大量的有机物、CO2及颗粒物的产生,因此火炬的排放仍需要有效的控制.
3 国内火炬排放控制标准
3.1 火炬设计和使用标准规范
1990年我国颁布实施了HGJ 38—1990《化工厂火炬及排气筒塔架设计规定》标准[20],对火炬塔架材料、型式的选择以及荷载、构造结构、施工等提出了要求,但很快被废止. 原化学工业部于1995年颁布了HG/T 20570—1995《工艺系统工程设计技术规定》[21]、HG/T 20570.12—1995《火炬系统设置》[22]等,其中,关于火炬的规定包括火炬系统的设计原则、火炬烟囱的高度和直径的计算、火炬的主要附属设备(如管道、火炬气分离罐、火炬气的密封系统等),但未对火炬的大气污染物排放提出控制要求. 2001年中国石油化工集团有限公司负责修订了SH 3009—2001《石油化工企业燃料气系统和可燃性气体排放系统设计规范》[23],该规范主要介绍了火炬工艺装置的排放条件、可燃气体排放系统管网的设计、火炬的分液和水封、高架火炬的设计计算、地面火炬的设计原则及火炬点火设施的确定. 2014年住房和城乡建设部及国家质量监督检验检疫总局联合发布了GB 51029—2014《火炬工程施工及验收规范》[24],但仅对火炬的安装质量进行了规定,没
有涉及与污染物排放相关的规定. 《中国石油化工股份有限公司炼油火炬系统安全运行指导意见(试行)》[25]强调了要符合SH 3009—2001的要求,同时要求火炬
头应保证装置正常操作和开停工时能够保持无烟燃烧.
3.2 污染物排放控制标准
2015年颁布的GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》[26]和GB 31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》[27]对火炬均提出了规定:①采
取措施回收排入火炬系统的气体和液体;②在任何时候,挥发性有机物和恶臭物质进入火炬都应能点燃并充分燃烧;③应该连续监测、记录引燃设施和火炬的工作状态(如火炬气流量、火炬头温度、火种气流量、火种温度等),并保存记录1 a以上. 综上,目前我国火炬标准主要以火炬的设计要求为准,而对于火炬的监测及火炬排放物的种类和浓度还没有明确的规定和标准.
4 国内外火炬排放控制标准及规范的比较
4.1 火炬系统组成的认证
火炬系统质量高低是确保火炬气体充分燃烧的基础. 因为火炬本身是由多个部件构成的,所以火炬本身的质量主要由火炬头、防回火设施、鼓风机和驱动器本身的质量来保证. 从国内外的标准对比来看:火炬系统的高燃烧效率需重点考虑火炬头的安全性、有效性和速度;火炬系统的安全性需重点考虑气液分离罐和液封等防回火设施. 火炬头的速度及有效性等具体要求见表2.
表2 火炬系统质量认证要求Table 2 Requirements for flare system quality certification部件作用国际要求国内规定火炬头火炬燃烧时可控制火炬头内燃烧物和辅助蒸汽的浓度和比例,降低甚至消除燃烧时产生的黑烟,使燃料能够被完全燃烧USEPA标准[11]规定火炬头的Vmax(最大允许速度):火炬气的LHV(低热值)小于11.2MJ∕m3时,Vmax为18.3m∕s;火炬气的LHV大于37.3MJ∕m3时,Vmax小于121.92m∕s中国石油化工可燃性气体排放系统设计规范[23]中规定:火炬头的上部设计温度不低于1200℃;火炬头上部3m处应使用ANSI310SS或同等材料,3m处以下应使用304或同等材料防回火设施主要包含分离罐和液封.气液分离罐是在废气燃烧前分离气液两相,提高废气热值,防止发生回火现象;液封主要是为了防止发生火焰回火API标准[28]中规定液封和分离罐是高架火炬的可选部件
HG∕T20570.12—1995[22]要求对分离罐和液封进行设计鼓风机和驱动器为了通入辅助蒸汽或者空气,通过鼓风机和驱动器对进入火炬的泄放气种类和浓度进行调节,
以保证火炬燃烧气的净热值API标准[28]中规定鼓风机属于火炬性能的主要组成部分,应做好鼓风机的维护和故障排除暂无明确要求
4.2 火炬的检测和监控
4.2.1 压力和流量监测系统
压力和流量监测是保证装置安全的有效措施. 对于高温高压的装置,压力和温度或流量传感器是必备的设施,可以对装置实时检测和监控,在发生紧急情况时可以及时发现并采取对策措施. 国内外不同标准中对于火炬压力、流量及其他监测设施的规定如表3所示.
表3 国内外火炬压力、流量等控制标准对比Table 3 Comparison of control standards for flare pressure and flow at home and abroad标准流量计压力传感器其他监测设施数据来源美国南加州标准必须使用无明确规定对于存在维修状态的火炬,安装排气流量计、热值分析仪,总硫分析仪文献[29]API标准流量计作为流量测定的设备,属于可选设备对于需要使用气体压力作为能量保证无烟效果的火炬,必须使用压力传感器无明确规定文献[28]USEPA标准必须使用无明确规定无明确规定文献[11]中国石油化工可燃性气体排放系统设计规范无明确规定无明确规定无明确规定文献[23]
其中,API标准[28]中对流量计的使用没有确切规定的原因是火炬蒸汽的成分难以预测,会对流量计对流量信息的说明产生一定的影响. 另外,火炬管线中掺杂的固体或者黏稠度高的液体也会影响流量计的准确度,所以火炬管线的流量计等监测设施的结果不一定准确,因此还需要对监测设备可靠性进行评估. 从所有的涉及标准来看,流量计和压力传感器的设备是火炬燃烧系统的必备设施,该设施可保证火炬系统的正常燃烧,并且可以降低火炬事故的可能性,因此对其进行规定是非常重要的.
此外,欧盟关于火炬的《Reference Document on Best Available Techniques
for Mineral oil Refineries》[30]中提到几个要求,即火炬系统要使用先进的工艺控制燃烧并保证火炬的无烟燃烧、平衡炼油厂燃料气系统并安装气体回收装置及泄压阀等.
4.2.2 火炬气热值监测
火炬内燃烧气体的热值会影响火炬的燃烧效率,多数火炬会采取添加辅助蒸气或辅助空气的方法提高火炬内燃气的热值,同时保证辅助蒸汽助燃气体的净热值不小于10.06 MJ/m3[11],通过对气体热值的实时监测使火炬的CE和DRE均能够在98%以上.
火炬气体的热值[11]计算公式:
(1)
式中:NHVvg为火炬气气体的净热值,kJ/m3;i为火炬气气体的单个组分;n为火炬气气体中的组分数量;xi为组分i在火炬气气体浓度的体积分数,%;NHVi
为组件i的净热值,kJ/m3.
4.2.3 火炬废气排放的监测要求
对于火炬的监测主要是为了减少燃烧后气体中有害物质的排放量,提高泄放气的燃烧效率,使燃烧物质尽可能完全燃烧. 由于不同物质的燃烧极限和燃烧所需要的助燃物的种类和浓度及物质的着火点都是不同的,因此燃烧的物质种类和浓度就是一个比较关键的因素.
美国南加州标准[29]对含硫化合物的控制比较重视,规定需要在每个火炬上安装一个自动采样系统,能够在火炬采样过程开始之后通报样品是否被采集,并用分析仪监测总硫含量.
US EPA标准[11]规定:①需要一个样品罐以进行组成分析的取样系统,当有监测气体进入火炬时,至少每8 h对进样样品进行一次采样. ②H2作为一种极易发生
燃烧爆炸的物质,如果企业本身的装置不涉及H2,可以不予考虑;但是如果企业涉及到使用H2作为原料的过程,则必须注意对废气中ρ(H2)的监测. ③CE≥98%,DRE≥98%.
欧盟标准[31]规定:①再生或还原火炬的还原效率可能低于95%,但
ρ(VOCs)≤21.83 mg/m3;②对于火炬气体,高空火炬的DRE>99%,地面火炬
的DRE>99.5%.
中国台湾地区关于污染物监控的规范《公私场所应设置连续自动监测设施及与主管机关连线之固定污染源修正草案总说明》[32]草案编制中,提到关于火炬样品物质(如NMHC、SO2、NOx、CO、S、HCl及VOCs等)的监测,并且要求连续加测.
4.2.4 火炬火焰的监测
火炬火焰的监测对象主要包括引燃火焰和燃烧火焰:对引燃火焰监测的目的是为了确认引燃器已被正常点燃,是火炬能够把废气废渣燃烧掉的基础,也是火炬正常燃烧与否的关键因素;而对燃烧火焰的监测是为了保证废物能够在火炬中完全燃烧,
提高火炬的无烟效果.
通过对比表3、4发现,国外火炬标准监测内容主要针对压力、流量、热值、引燃火焰、燃烧火焰及排放进行控制,建议火炬标准的建立以这几项监测内容为基础,由于排放监测较难实现,因此主要针对压力、流量、热值和火焰控制实现对火炬的监测.
4.3 火炬系统的排放
表4 国内外火炬的监测方法对比Table 4 Comparison of monitoring methods for flare at home and abroad项目引燃火焰燃烧火焰排放气体监测数据来源美
国南加州标准必须保证引燃火焰始终存在;使用热电偶或者其他等效设备来监测用
包含日期和时刻的彩色视频监视器监视;通过燃烧时火焰的形状、高低等现象来判
断物质是否被完全燃烧无明确规定文献[29]API标准利用引燃火焰成功点燃气体时
所产生的光、热、气体或者声音来验证;通过热电偶、火焰电离、光传感器(分为紫外和红外两种)及声学系统4种方法监测无明确规定无明确规定文献[28]USEPA标准可用紫外线束传感器或红外传感器监控,不限于只通过热电偶来监控基于CMMI&A-SPICE模型研发的在线实时监测CPMS仪器视觉确定2h内可见排放不超过5min 文献[11]中国石油化工可燃性气体排放系统设计规范无明确规定无明确规定无明确规定文献[23]
4.3.1 噪声
噪声是火炬燃烧过程中不可避免的. 为了消除火炬的黑烟,需要在火炬头内改善物料的燃烧状况,因此需要调节物料和辅助蒸汽的配比,所以不可避免地就会增加火炬头的地面噪声. API标准[28]中规定:火炬头在正常操作条件下不高于90 dB;全场紧急事故最大排放情况下不高于115 dB. 为保证火炬噪声达到该要求,建议部分火炬通过采取一定的办法来降低噪声,如目前国外采用的地面式封闭火炬,火炬燃料在底部与辅助空气开始混合并燃烧,火炬内壁采用一些降噪的材料,并改变火炬内部平整光滑的曲面,改为凹凸不平的曲面,以此来降低声音的漫反射,最终实现降低噪音的效果;采用比较先进的辅助蒸汽的进样设备,既能满足改善物料的燃烧状况的要求,又能不产生大量噪音的要求,不过这可能还需要一定的时间去研究.
4.3.2 火炬污染物排放
4.1节中所涉及的火炬质量认证的各部分,其最终目的是为了保证火炬内排放气的完全燃烧.US EPA标准[11]规定:当泄放气体进入火炬中时,火炬的经营管理者要对火炬的可见排放进行实时监测,利用人眼视觉监测方法确定挥发性排放物的气体来源和火炬的可见排放,若发现可见排放,则需连续进行5 min的持续排放监测. 注:企业2、4、7火炬未使用流量计.图1 上海市石化和钢铁企业的火炬现状Fig.1 Flare status of Shanghai petrochemical and steel enterprises
美国南加州标准[29]对企业火炬单次排放做了规定,即VOCs不能超过45.36 kg,SO2不能超过226.8 kg,燃烧排气不能超过1.42×104 m3.
火炬排放的气体只要符合大气污染物的排放标准即可,并没有根据火炬本身泄放物的种类对火炬有一个明确的规定,可暂时参照GB 16297—1996《大气污染物综
合排放标准》[33],污染物落地浓度需要符合GB 3095—2012《环境空气质量标准》[34]. 火炬燃烧气的排放是评价火炬燃烧效果的重要指标,而排放气的种类和浓度
也是评价的重要指标. 对于火炬来说,对排放气的检测是测定火炬燃烧效率的有效方法,所以必须对火炬排放物进行定性定量的研究.
4.4 国内外标准总结与启示
根据国内外标准的汇总比较,建议上海市火炬排放控制技术规范体系从以下方面开展:①对上海市不同企业的火炬分类,针对不同火炬类型及燃烧气体的种类采取不同控制措施. ②对火炬燃烧气体的热值做定性要求,对所有火炬的压力、流量控制
系统进行确认,保证火炬泄放气的热值达到一个合适的范围. ③对火炬的引燃火焰和燃烧火焰进行监测,保证长明灯的常燃及火炬的正常燃烧. ④加强火炬排放的监督,若发现可见排放,则要求企业进行连续观测. ⑤企业管理者需定期对火炬系统进行维修检查,保证火炬系统的正常燃烧.
通过上述火炬排放监测、控制方法、标准、规范的汇总可以发现:火炬气体排放控制对于控制反应活性比较强的有机物排放非常重要;火炬排放气体的检测比较困难,不同方法均具备较大的不确定性;控制火炬效率最好的表征方法是对气体的热值控制,上海市制定火炬排放控制标准宜从制定火炬排放控制技术规范入手,包括火炬系统的设计及认证要求;对火炬引燃火焰和燃烧火焰的监测,应基于废气的热值、废气与辅助气成分进行的焚毁率和燃烧效率的计算.
5 上海市火炬与排放
5.1 火炬数量及使用现状
火炬的类型、数量及流量控制是研究火炬燃烧排放的基础. 对上海市石油、化工、钢铁企业的火炬设置现状进行了调研. 根据不完全统计,上海市有各类火炬16座,包括地面火炬10座、高架火炬6座,其中10座火炬设置有流量计,占总数的62.5%;流量计完好且数据可记录的有4座,占总数的25%.
由图1可见,上海市石油、化工、钢铁企业火炬及流量计使用存在以下特点:①
地面火炬的使用量增加.统计结果显示,地面火炬数量高于高架火炬,高架火炬虽
更容易实现大排量的废气处理,但是效率偏低. 地面火炬燃烧效率更高,噪声及污染较小. ②超过50%的火炬使用流量计. 流量计可以为废气进入火炬提供有效的流
量数据,可以通过进气流量来控制地面火炬燃烧的火炬头数量,也可以控制添加辅助蒸汽或空气的量. ③流量计的有效性值得关注. 小部分企业的火炬没有流量计,
部分火炬的流量计被损坏或者无法提供有效的数据,因此要定期对流量计维修和更换. ④污染物的排放监测的设备不完善. 由于火炬本身高度和燃烧热度的限制,目
前对于火炬污染物的排放监测还没有形成有效的机制,国内关于火炬排放的标准仍需进一步完善.
5.2 火炬排放测试
该试验采用傅里叶红外在线监测仪,对上海市某企业地面火炬燃烧后尾气中的VOCs种类和数量进行了对应的研究. 通过傅里叶红外在线监测仪采集了5组火炬
排放气体的数据,通过光谱反演得到火炬排放气成分检测结果(见表5).
表5 火炬排放气成分检测结果Table 5 Test results of flare emission gas composition测量次数
ρ∕(mg∕m3)N2OC2H6C2H4C3H8C3H6C4H10C2H2CH4NH3COCO210.794.22 19.292.407.283.550.083.910.291.18902.7120.877.1126.022.0012.105.080.08 4.510.350.99926.3930.808.6029.473.3513.595.070.094.820.371.07913.1240. 803.5912.831.065.552.570.113.300.161.05926.4150.7612.6945.223.4017.537
.040.005.440.431.901042.97
由表5可见,5组连续测量数据的变化趋势基本一致,现场火炬的燃烧状况比较稳定. 除ρ(CO2)外,ρ(C2H4)最高,平均值接近30 mg/m3,按企业的年生产时间280 d、日工作时间8 h、火炬头排放速率200 m/s计,企业VOCs年产生量为65.69 t,每年会产生较多的残留VOCs排入大气中;在不考虑黑炭浓度条件下,
火炬的燃烧效率在90%~95%之间,没有达到预期的98%的燃烧效率. 因此,对
于火炬燃烧的污染物排放仍然是环保减排计划急需解决的问题之一.
6 结论与建议
a) 我国现行火炬标准主要针对火炬设计和排放,但是由于监测和监控技术不成熟,与国外发达国家的火炬标准仍存在差距.
b) 建议上海市火炬排放与控制标准从热值、引燃火焰和燃烧火焰监测、可见排放
监测和监管四方面出发,全面修订火炬标准.
c) 建议根据上海市现有火炬使用现状进行火炬排放的核算,全面统计污染物排放
总量.
d) 建议规范火炬监测和检查方法,并加大火炬的监管力度,对火炬使用情况进行
记录和汇总,使火炬污染物排放得到有效控制,降低火炬造成的环境污染.
【相关文献】
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