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文檔簡(jiǎn)介

2003年中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院學(xué)術(shù)年會(huì)報(bào)告中國(guó)氮氧化物的排放及控制

郝吉明教授/院長(zhǎng)清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究院北京國(guó)際會(huì)議中心二〇〇三年十二月二十九日NOX來源及環(huán)境影響氮氧化物排放因子的確定中國(guó)能源消費(fèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)情景分析中國(guó)NOX排放現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)發(fā)達(dá)國(guó)家NOX排放控制法規(guī)及政策NOX排放控制對(duì)策及重點(diǎn)結(jié)論報(bào)告內(nèi)容大氣N循環(huán)氮氧化物(NOX)來源自然排放源閃電過程平流層光化學(xué)過程N(yùn)H3的氧化森林大火生態(tài)系統(tǒng)中的微生物過程以及土壤和海洋中NO2-的光解過程等。人為排放源化石燃料(煤、石油、天然氣及汽車燃料)的燃燒生物質(zhì)燃料(秸稈、薪柴、牲畜糞便等)的燃燒各種工業(yè)過程的工藝排放等:包括硝酸的制造和使用、電鍍、雕刻、焊接、金屬清洗、炸藥爆炸以及液態(tài)二氧化氮(火箭推進(jìn)劑的基本成分)的應(yīng)用等全球NOX排放量估計(jì)排放源類型年生成量(1012g·a-1,以純氮計(jì))礦物燃料燃燒14~28超音速飛機(jī)0.15~0.3平流層光化學(xué)0.5~1.5生物質(zhì)燃燒4~24閃電2~20土壤排放~8NH3的氧化<5海洋NO2-的光解0.5~1.5合計(jì)34~88NOX環(huán)境危害局地:NO2空氣污染,刺激呼吸系統(tǒng)區(qū)域:酸沉降,NOX對(duì)HxOy化學(xué)過程影響可改變SO2在大氣中轉(zhuǎn)化速率,影響硫酸鹽沉降生態(tài)系統(tǒng)退化及富營(yíng)養(yǎng)化光化學(xué)煙霧產(chǎn)生O3強(qiáng)氧化劑形成細(xì)粒子(PM10/PM2.5)大氣能見度降低全球:氣候變化,平流層O3污染現(xiàn)狀:2000年,20.3%國(guó)控網(wǎng)城市超過國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn);北京、廣州、上海、烏魯木齊等大城市NOX污染嚴(yán)重;歐洲、北美控制酸沉降最初重視SO2控制而輕視NOX的教訓(xùn);NOX排放增長(zhǎng)及高氧化性可能抵消兩控區(qū)酸雨污染控制效果;中國(guó)NOX污染狀況NOX排放量計(jì)算方法自下而上全國(guó)各省、市、區(qū)省內(nèi)各部門部門內(nèi)某燃料類型燃料消耗量NOX排放因子NOX脫除率燃料消耗的排放因子法研究區(qū)域中國(guó)大陸31個(gè)省、直轄市和自治區(qū)時(shí)間跨度歷史年份:1980年~2000年;現(xiàn)狀年份:2000年;預(yù)測(cè)年份:2010年,2020年,2030年;能源生產(chǎn)與消費(fèi)部門劃分

火力發(fā)電、其他能源轉(zhuǎn)換、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、服務(wù)業(yè)及居民生活消費(fèi);燃料類型商品燃料:煤、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、LPG、煉廠干氣、天然氣及煤氣等農(nóng)村非商品燃料:作物秸稈,薪柴研究范圍排放因子確定NOX排放源固定源:電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、采暖鍋爐、茶浴爐、民用小煤爐、公福灶、居民炊事灶等;移動(dòng)源:機(jī)動(dòng)車、鐵路機(jī)車、飛機(jī)等其他源:工藝排放源、生物質(zhì)燃料NOX排放水平典型燃燒設(shè)備實(shí)際測(cè)試;文獻(xiàn)調(diào)研、專家咨詢等測(cè)試方法:《空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法》推薦儀器法測(cè)試儀器:英國(guó)Kane公司KM9106便攜式煙氣分析儀等測(cè)試地點(diǎn):北京、河北、河南、浙江、安徽、山東等分部門、燃料品種的NOX排放因子集中國(guó)能源消費(fèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)中國(guó)能源消費(fèi)現(xiàn)狀能源消費(fèi)總量及其構(gòu)成年份總量(萬tce)煤炭(%)石油(%)天然氣(%)水電(%)1980602754.01990987035.1199613894874.718.01.86.120001302976.8能源需求預(yù)測(cè)表達(dá)式能源需求預(yù)測(cè)方法--部門分析法基準(zhǔn)年份

2000年預(yù)測(cè)年份

2010年

2020年

2030年人口和國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)構(gòu)想未來中國(guó)人口發(fā)展及城市化的基本假設(shè)年份總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)率城市人口農(nóng)村人口億人(‰)人數(shù)/億百分比(%)人數(shù)/億百分比(%)200012.667.584.5836.228.0763.78201013.8610.545.8842.47.8957.6202014.957.607.6851.47.2748.6203015.604.279.1158.46.4941.6未來中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)構(gòu)想年份2000~2010年2010~2020年2020~2030年GDP年均增長(zhǎng)率(%)低方案7.06.05.0中方案高方案8.07.06.0GDP及產(chǎn)業(yè)構(gòu)成的構(gòu)想未來中國(guó)GDP總量發(fā)展趨勢(shì)年份方案2000年2010年2020年2030年GDP/億元(2000年價(jià))低

175946.35315093.11513253.47中89442.2184343.20346037.52591082.08高

193099.00379854.96680262.38人均GDP(元/人)低

126952107632901中7078133002314637890高

139322540843607未來中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)想方案產(chǎn)業(yè)類別單位2000年2010年2020年2030年第一產(chǎn)業(yè)(農(nóng)業(yè))%15.215.012.510.0第二產(chǎn)業(yè)(工業(yè)、建筑業(yè))%51.145.043.042.0第三產(chǎn)業(yè)(服務(wù)業(yè))%33.640.044.548.02000~2030年中國(guó)終端能源需求總量預(yù)測(cè)結(jié)果項(xiàng)目單位2000年2010年2020年2030年實(shí)際值低中高低中高低中高消費(fèi)總量萬tce124032170540177513184786242004262139284148325224367052414995終端能源需求預(yù)測(cè)結(jié)果一次能源需求總量萬tce130297178560187437196887252843281823306703338233395883449800其中:煤炭萬tce86240111883118101124418147484167598183386187465225689257069石油萬tce321634270344902471776014466125716757838990160103294天然氣萬tce3170876992949832175441928521131305463484039636水電、核電萬tce8797152051514015460276712881630510418324519449800一次能源構(gòu)成

煤炭%66.162.763.063.258.359.559.855.457.057.2石油%24.623.924.024.023.823.523.423.222.823.0天然氣%5.09.08.88.8項(xiàng)目單位2000年2010年2020年2030年基準(zhǔn)值低中高低中高低中高水電、核電%7.910.910.29.912.411.411.1未來能源消費(fèi)需求總量及構(gòu)成中國(guó)NOX排放現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)中國(guó)NOX排放現(xiàn)狀1980~2000年:

GDP年均增長(zhǎng)率9.7%

能源消費(fèi)年均增長(zhǎng)

3.9%

NOX排放年均增長(zhǎng)4.6%

能源消費(fèi)彈性系數(shù):0.41

NOX排放彈性系數(shù):0.481996年NOX排放峰值:1203萬t2000年NOX排放量:1177萬t各省區(qū)NOX排放分布NOX排放大?。汉颖?、遼寧、江蘇、山東、廣東、山西、河南、四川等80%以上在中東部地區(qū)各省區(qū)NOX排放強(qiáng)度分布

90%左右NOX排放源于火力發(fā)電、工業(yè)、交通運(yùn)輸各經(jīng)濟(jì)部門NOX排放狀況火電廠已成為最大排放源交通部門貢獻(xiàn)率增長(zhǎng)迅速不同燃料品種對(duì)NOX排放貢獻(xiàn)燃煤是最大來源:60%~70%柴油、焦炭、汽油次之近年燃煤貢獻(xiàn)率略有下降汽油、柴油貢獻(xiàn)率上升較快未來NOX排放總量發(fā)展趨勢(shì)11771677~18532363~29143154~4296未來30年各省區(qū)NOX排放強(qiáng)度分布0省區(qū)>1Mt4省區(qū)>1Mt7省區(qū)>1Mt13省區(qū)>1Mt未來30年各部門對(duì)NOX排放貢獻(xiàn)率未來30年不同燃料品種對(duì)NOX排放貢獻(xiàn)率NOX生成及破壞機(jī)理(1)熱力型NOX:空氣中N2和O2在高溫下生成的NO和NO2的總和

Zeldovich不分支自由鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理(2)燃料型NOX:燃料中的雜環(huán)氮化物熱分解與氧結(jié)合生成,生成機(jī)理非常復(fù)雜。(3)快速型NOX:產(chǎn)生于燃燒時(shí)CHi類原子團(tuán)較多、O2濃度相對(duì)較低的富燃料區(qū)燃燒情況,多發(fā)生在內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程。通常,最初燃燒生成的NOX中,NO占90%~95%左右,NO2占5%~10%,而N2O僅占1%左右。燃煤NOX形成機(jī)理溫度(T)是熱力型NOX形成的主要控制因素:當(dāng)燃燒溫度低于1800K時(shí),熱力型NOX生成量很少。對(duì)燃煤而言,燃料型NOX的生成和破壞過程不僅與煤種特性、燃料結(jié)構(gòu)、燃料中的N受熱分解后在揮發(fā)分和焦炭中的比例、成份和分布有關(guān),而且大量反應(yīng)過程還和燃燒條件如溫度和氧及各種成分的濃度等密切相關(guān)。通常的燃燒溫度下,燃料型NOX主要來自揮發(fā)分N,煤粉燃燒時(shí)由揮發(fā)分生成的NOX占燃料型NO的60%~80%,而由焦炭N所生成的NOX占20%~40%。另外,燃料N轉(zhuǎn)換成NOX的量主要取決于空氣/燃料混合比(A/F),而對(duì)燃燒溫度依賴性較弱。常規(guī)燃料中,除天然氣基本上不含氮化物外,其他燃料或多或少地含有氮化物,其中石油的平均含氮量為0.65%左右,煤的含氮量一般在0.5%~2.5%左右。通常,燃料中大約20%~80%的N轉(zhuǎn)化為NOX,其中NO又占90%~95%。當(dāng)燃料中的N含量超過0.1%時(shí),燃料型NOX排放將是最主要的。煤燃燒時(shí),75%~90%的NOX來自燃料型NOX。燃料的N含量增加時(shí),雖然生成的燃料型NOX量增加,但NOX的轉(zhuǎn)化率卻減少;煤的燃料比FC/V越高,NOX的轉(zhuǎn)化率越低。煤粉爐NOX排放與燃燒方式關(guān)系抑制NOX生成和促使NOX破壞的途徑一級(jí)控制措施--燃燒優(yōu)化及改進(jìn)技術(shù)采用改進(jìn)工藝和設(shè)備、改進(jìn)燃燒以減少和抑制NOX生成量的各種低NOX燃燒技術(shù)二級(jí)控制措施--尾部排氣脫硝技術(shù)

固定源NOX排放控制技術(shù)--低NOX燃燒技術(shù)低NOX燃燒技術(shù)策略降低燃燒室內(nèi)火焰的峰值溫度(Tmax);減少氣體在火焰區(qū)的停留時(shí)間(t);降低火焰區(qū)的氧氣濃度(O2);加入NOX還原劑等低過??諝庀禂?shù)(LEA):15%~20%削減率;空氣分級(jí)燃燒(OFA):天然氣鍋爐可降低60%~70%,而燃煤和燃油鍋爐可降低排放40%~50%;煙氣再循環(huán):煙氣再循環(huán)率為15%~20%時(shí),大型煤粉爐NOX排放濃度可降低25%左右;注入水或蒸汽:可使燃燒氣體的燃?xì)廨啓C(jī)NOX還原效率高達(dá)80%;燃料分級(jí)或再燃燒技術(shù):NOX排放濃度降低50%以上;低NOX燃燒器(LNBs):NOX削減率通常在30%~60%之間。三菱MACT低NOX燃燒系統(tǒng)PM型低NOX燃燒器為主要燃燒器集低NOX燃燒器、爐膛空氣分級(jí)、燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)于一體適用于四角切向燃燒的燃燒器布置方式,可達(dá)100ppm以下固定源NOX排放控制技術(shù)--煙氣脫硝技術(shù)選擇性催化還原法(SCR)原理:利用NH3做還原劑,在300~400℃溫度范圍和一定的催化劑(鐵、釩、鉻、銅、鈷或鉬等金屬氧化物)作用下,使煙氣中的NOX還原為無害的N2和H2O。主反應(yīng)機(jī)理:8NH3+6NO2→7N2+12H2O4NH3+6NO→5N2+6H2OSCR特點(diǎn):(1)90%~95%NOX削減率;(2)氨泄漏量低,0-5ppm

(3)極好的空燃比控制,接近1.0.

(4)廣泛應(yīng)用于日本、歐洲的燃?xì)?、燃油和燃煤鍋爐

問題:投資及運(yùn)行費(fèi)用高、催化劑中毒、氨儲(chǔ)存、粉煤灰綜合利用SCR系統(tǒng)布置鍋爐NH33SCR空氣預(yù)熱器空氣靜電除塵器FGD煙囪SCR煙囪kFGD空氣預(yù)熱器空氣NH33鍋爐高溫靜電除塵器FGDESP空氣空氣預(yù)熱器煙囪燃料NH3SCR再生熱

換熱器煙道燃燒器HighDust高粉塵LowDust低粉塵TailEnd末端布置鍋爐SCR系統(tǒng)構(gòu)成VAPORIZER蒸發(fā)器AIR空氣預(yù)熱器

PREHEATERCONTROLSYSTEM控制系統(tǒng)AQUEOUSNH3TANK液氨罐HEATER加熱器FAN風(fēng)扇PUMP泵MIXER攪拌器NH3INJECTIONGRID加氨槽CATALYSTLAYERS催化劑涂層SOOTBLOWERS吹灰器FLOWCONTROL流量控制SCR催化劑不同NOX控制技術(shù)比較LNB-低氮氧化物燃燒AOFA-改進(jìn)的燃盡風(fēng)法SCR-選擇性催化還原SNCR-選擇性非催化還原機(jī)動(dòng)車NOX排放控制技術(shù)機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化措施稀薄燃燒技術(shù)廢氣再循環(huán)(EGR)控制進(jìn)氣與燃燒改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)(包括延遲點(diǎn)火、加大點(diǎn)火能量以及電子控制點(diǎn)火正時(shí))電控汽油噴射以及采用綜合控制的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)等柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化措施電控柴油噴射廢氣再循環(huán)(EGR)改善進(jìn)氣系統(tǒng)、采用分隔式燃燒室進(jìn)氣管噴水以及乳化燃油等機(jī)動(dòng)車NOX排放控制技術(shù)機(jī)外凈化技術(shù)

催化轉(zhuǎn)化法三元催化轉(zhuǎn)化器通常采用鉑、銠、鈀等貴金屬催化劑;使HC、CO氧化成H2O、CO2,同時(shí)使NOX還原生成N2;最佳工作溫度為400~800℃;須精確地控制在理想的空燃混合比(A/F=14.71)附近。替代低污染燃料和新型低污染發(fā)動(dòng)機(jī)

替代燃料:甲醇、變性酒精及其它醇類,甲醇、變性酒精等與汽油混合物,天然氣(LNG/CNG)、液化石油氣(LPG)和氫氣;從煤中提取的液體燃料、非醇類生物燃料和電等。新型低污染發(fā)動(dòng)機(jī):電動(dòng)車、混合動(dòng)力車、燃料電池車NOX排放控制法規(guī)及政策分析火力發(fā)電世界第一,80%左右煤炭用于發(fā)電1998年,火電廠NOX排放量565萬t,占美國(guó)排放量25.6%美國(guó)電站鍋爐NOX控制法規(guī)及政策1998年美國(guó)電廠NOX排放量1999年美國(guó)NOX排放狀況鍋爐類別鍋爐爐膛型式第I時(shí)段(1996~2000年)第II時(shí)段(2000年后)g/MJmg/m3(O2=6%)g/MJmg/m3(O2=6%)I類鍋爐旋流燃燒器固態(tài)排渣鍋爐0.2156100.194554四角切圓燃燒鍋爐0.1945540.163467II類鍋爐旋流燃燒器液態(tài)排渣鍋爐--0.3701058前置式旋風(fēng)爐膛鍋爐--0.4001156豎立式燃燒鍋爐--0.344984孔格式燃燒器--0.293836流化床爐膛鍋爐--0.1253571990年美國(guó)CAAA規(guī)定的燃煤鍋爐NOX允許排放限值CAAA--第I篇(臭氧)和第IV篇(酸雨)OTC:美國(guó)東北部22州和哥倫比亞特區(qū),NOX排污交易1997年新源性能排放標(biāo)準(zhǔn)(NPS):100mg/m3(與燃料無關(guān))火電廠發(fā)電量?jī)H次于美國(guó)和中國(guó),居世界第3位;1973年《空氣污染防治法》開始,幾經(jīng)修訂,成為當(dāng)今世界上NOX允許排放限值最低、排放標(biāo)準(zhǔn)要求最嚴(yán)的國(guó)家之一。電站鍋爐NOX排放標(biāo)準(zhǔn)鍋爐類型鍋爐容量(t/h)NOX最高允許排放限值,mg/m3ppm(10-6)mg/m3(以NO2計(jì))燃煤

(O2=6%)≤570250513>570200410燃油

(O2=4%)≤540150308>540130267燃?xì)?/p>

(O2=5%)≤506100205≤50660123開發(fā)并應(yīng)用先進(jìn)的低NOX燃燒技術(shù);1976年在350MW機(jī)組試驗(yàn)SCR,至今15GW燃煤電站機(jī)組安裝SCR;采用低NOX燃燒技術(shù)及安裝SCR脫銷裝置,燃煤電站煙氣NOX濃度已降至45ppm日本電站鍋爐NOX控制法規(guī)1983年《大型燃燒裝置法規(guī)》(GFAVO)生效時(shí)

限機(jī)組容量NOX排放限值,mg/m3(O2=6%)1984年前建成機(jī)組>300MW且剩余壽命>3萬h20050~300且剩余壽命>3萬h650(液態(tài)排渣1300)>50MW且剩余壽命<3萬h650(液態(tài)排渣1300)1984年后新建機(jī)組>300MW20050MW~30MW4001MW~50MW500控制措施:低NOX燃燒技術(shù)煙氣脫硝:

1982~1991年,28GW的60座火電廠安裝煙氣脫銷裝置。其中,SCR占95%;SNCR占4%;聯(lián)合脫硫脫硝1%德國(guó)電站鍋爐NOX控制法規(guī)及政策美國(guó)機(jī)動(dòng)車NOX排放標(biāo)準(zhǔn)美國(guó)輕型汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)g/km年份COHCNOX測(cè)試循環(huán)196046.675.892.28USFTP197018.892.782.28USFTP19808.330.831.72USFTP19941.890.140.22USFTP2004(建議)0.940.070.11USFTP美國(guó)加州機(jī)動(dòng)車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目CO,g/kmHC,g/kmNOX,g/km測(cè)試循環(huán)過渡低排放車輛(TLEV)2.110.080.25USFTP低排放車輛(LEV)2.110.050.12USFTP超低排放車輛(ULEV)1.060.020.12USFTP日本機(jī)動(dòng)車NOX排放標(biāo)準(zhǔn)柴油車排放限值生效日期燃料/車型CO,g/kmHC,g/kmNOX,g/kmPM,g/km測(cè)試循環(huán)2000年柴油/乘用車≤1.25t0.630.120.280.052J10.152000-2002年柴油/乘用車>1.25t0.66J10.152002年柴油/輕型載貨車≤1.7t0.630.120.280.052J10.152003年柴油/輕型載貨車>1.7t0.630.120.490.06J10.15歐盟機(jī)動(dòng)車NOX排放標(biāo)準(zhǔn)EuroIII(2000)和EuroIV(2005)排放限值生效日期燃料/車型CO,g/kmHC,g/kmNOX,g/kmHC+NOX,g/km測(cè)試循環(huán)2000汽油/乘用車5-修訂ECE+EUDC2005汽油/乘用車1.00.100.08-修訂ECE+EUDC2000柴油/乘用車0.64-0.500.56修訂ECE+EUDC2005柴油/乘用車0.50-0.250.30修訂ECE+EUDC政策措施制定日趨嚴(yán)格的NOX排放標(biāo)準(zhǔn)是根本措施;制定有利于技術(shù)進(jìn)步的政策是有效保障;強(qiáng)化排放源日常的監(jiān)督管理等;經(jīng)濟(jì)手段嚴(yán)格執(zhí)行排污收費(fèi)建立排污交易制度先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的減免稅等發(fā)達(dá)國(guó)家控制NOX排放經(jīng)驗(yàn)NOX相關(guān)研究熱點(diǎn)NOX排放因子的確定與更新:源頭控制NOX排放的大氣化學(xué)過程:

促進(jìn)SO2向SO3轉(zhuǎn)化,對(duì)區(qū)域酸雨貢獻(xiàn)微細(xì)顆粒物PM10/PM2.5光化學(xué)煙霧形成O3:

大氣中NOX與VOCs濃度變化影響電站鍋爐SCR技術(shù)開發(fā)及實(shí)踐:催化劑及其管理、降低費(fèi)用SNCR在工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用機(jī)動(dòng)車催化轉(zhuǎn)化器催化劑:

金屬氧化物催化劑稀薄汽油/柴油機(jī)尾氣凈化中國(guó)NOX排放控制及重點(diǎn)(1)實(shí)施嚴(yán)格的NOX排放標(biāo)準(zhǔn):基礎(chǔ)與保障(2)火力發(fā)電是中國(guó)NOX排放控制的重點(diǎn)行業(yè)

排放量巨大。2000年占1/3以上,2030年達(dá)45%左右;高架煙囪排放,遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)區(qū)域酸雨貢獻(xiàn)很大;

煙氣量大且集中排放,安裝治理設(shè)備相對(duì)容易;多種成熟的低NOX燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)可供選擇;美國(guó)、德國(guó)、日本等均首先從控制火電廠NOX排放著手。(3)城市機(jī)動(dòng)車是中國(guó)城市NOX排放控制的重點(diǎn)對(duì)象

北京、上海、廣州等城市機(jī)動(dòng)車NOX污染貢獻(xiàn)率超過50%

(4)優(yōu)化能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu):提高水電、核電、可再生能源比重(5)推行清潔生產(chǎn),降低終端能耗強(qiáng)度

(6)加強(qiáng)NOX排放控制技術(shù)的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用

(7)強(qiáng)化對(duì)NOX排放源的監(jiān)督管理

中國(guó)NOX排放的宏觀控制對(duì)策(1)嚴(yán)格的火電廠NOX排放標(biāo)準(zhǔn)

火電廠NOX排放控制對(duì)策(2)淘汰技術(shù)落后小火電機(jī)組

小火電能耗比

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