周 斌，雷建國，魏 然

(1.四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢 643000；2.四川雷鳴生物環(huán)保工程有限公司，四川 自貢 643000)

生物質(zhì)秸稈成型燃料的制備、應用與市場

周 斌1，雷建國2，魏 然1

(1.四川理工學院材料與化學工程學院，四川 自貢 643000；2.四川雷鳴生物環(huán)保工程有限公司，四川 自貢 643000)

介紹了國內(nèi)外生物質(zhì)能源技術的應用及生物質(zhì)燃料的研發(fā)制備情況，分析了目前生物質(zhì)燃料制備技術、資源化利用的現(xiàn)狀以及存在的問題，針對符合中國國情的生物質(zhì)（秸稈）成型燃料生產(chǎn)技術及市場需求進行了分析探討。

生物質(zhì);（秸稈）成型燃料;制備技術;市場需求

當前，環(huán)境問題和能源緊缺已對人類的生存和發(fā)展形成了嚴重挑戰(zhàn)，石油、天然氣、煤炭等化石燃料在日益劇烈的消耗中，不斷污染環(huán)境。同時，化石燃料已不再是人類所能長久依賴的理想資源。近年來，我國的石油對外依存度在不斷提高，能源安全問題凸顯。因此為了保障國家能源安全，保持經(jīng)濟快速發(fā)展，只有積極發(fā)展包括生物質(zhì)能源在內(nèi)的替代能源，才能彌補快速擴大的石油供需缺口，才能有效解決區(qū)域性能源品種短缺問題，才能實現(xiàn)科學發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)生物學家估計，地球陸地每年生產(chǎn)1000～1250億噸生物質(zhì)；海洋每年生產(chǎn)500億噸生物質(zhì)。生物質(zhì)能源的年生產(chǎn)量遠遠超過全世界總能源需求量，相當于世界總耗能的10倍。從補充和替代能源的角度講，生物質(zhì)能作為僅次于煤炭、石油和天然氣的世界第四大能源，是替代由石油制取的汽油和柴油，成為可再生能源開發(fā)利用的重要方向。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源極為豐富，開發(fā)利用潛力巨大。據(jù)專家測算，我國生物質(zhì)能源每年可用總量折合標煤約5億噸（其中農(nóng)作物秸稈約有3億噸，折合標煤約1.5億噸），若能利用其一半，就相當于找到一個年產(chǎn)5000萬噸石油的大油田。從環(huán)境保護的角度講，合理利用農(nóng)林生物質(zhì)能源，不僅可減少農(nóng)業(yè)秸稈、林業(yè)加工廢棄物等自然腐爛所產(chǎn)生的CH4，也可避免就地焚燒而直接造成的環(huán)境污染；而且生物質(zhì)本身N含量比煤少得多，這對于減少氮氧化物的生成非常有利；同時生物質(zhì)本身含S量極低（一般少于0.1%），不到煤的1/10[1]，因此不需要煙氣脫硫裝置，既可降低成本，又有利于環(huán)境；燃燒過程中排放出的CO2與其生長過程光合作用中所吸收的一樣多，實現(xiàn)了CO2的零排放；生物質(zhì)燃料的使用還可降低重金屬污染物的排放，并可間接減少因燃煤產(chǎn)生的廢氣、廢渣等污染。因此，生物質(zhì)能源是國際公認的清潔能源。

1 國內(nèi)外生物質(zhì)能源技術應用現(xiàn)狀

受世界石油資源、價格、環(huán)保和全球氣候變化的影響，20世紀70年代以來，許多國家日益重視生物燃料的發(fā)展，制定了相應的開發(fā)研究計劃，并取得了顯著的成效。如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農(nóng)場和巴西的酒精能源計劃等。其它諸如丹麥、荷蘭、德國、法國、加拿大、芬蘭等國，多年來一直也在進行研究與開發(fā)，并形成了各具特色的生物質(zhì)能源研發(fā)體系，擁有各自的技術優(yōu)勢。目前，全球生物質(zhì)能發(fā)電裝機容量已超過5000萬千瓦，可代替9000多萬噸標準煤。其中美國生物質(zhì)能發(fā)電在世界上處于領先地位，生物質(zhì)能發(fā)電總裝機容量超過1萬兆瓦，占美國可再生能源發(fā)電裝機容量的40%以上。有關資料顯示，預計到2020年，西方發(fā)達國家15%的電力將來自生物質(zhì)能發(fā)電。

近年來，我國高度重視生物質(zhì)能源利用工作，相繼出臺了一系列政策法規(guī)，鼓勵和支持相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國科學院制定的2050年我國生物質(zhì)資源科技發(fā)展路線圖指出，中國要由生物質(zhì)資源大國向生物質(zhì)資源及生物經(jīng)濟強國轉(zhuǎn)變，要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應用生物質(zhì)能源，以替代30%左右的石油進口，以生物質(zhì)能源替代部分化石能源。為了促進可再生能源的發(fā)展，根據(jù)《可再生能源法》的要求，國家發(fā)展改革委已組織編制了《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，提出了2010年和2020年可再生能源發(fā)展目標和任務，其中生物質(zhì)能是重要的發(fā)展領域。規(guī)劃提出的全國生物質(zhì)能開發(fā)利用的主要目標是：到2010年，生物質(zhì)能發(fā)電裝機容量達到550萬千瓦，沼氣年利用量達到190億立方米，燃料乙醇年利用量達到200萬噸，生物柴油年利用量達到20萬噸，生物質(zhì)固體成型燃料達到100萬噸，建成50個綠色能源示范縣。到2020年，生物質(zhì)能發(fā)電裝機容量達到3000萬千瓦[2]，沼氣年利用量達到400億立方米，燃料乙醇年利用量達到1000萬噸，生物柴油年利用量達到200萬噸。生物質(zhì)固體成型燃料達到5000萬噸，綠色能源縣普及到500個[3]。同時，為促進節(jié)能減排、加快建設節(jié)約型社會，我國政府又通過稅收等多種方式，合理調(diào)節(jié)和支持生物質(zhì)等可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如對屬于生物質(zhì)能源的垃圾發(fā)電實行增值稅即征即退政策、對生物質(zhì)燃料發(fā)電實行電價補貼政策等。

我國生物質(zhì)固體成型燃料技術得到明顯的進展，生產(chǎn)和應用已初步形成了一定的規(guī)模。截至2009年底，國內(nèi)有生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)廠260余處，生產(chǎn)能力約76.6萬噸/年。主要用于農(nóng)村居民炊事取暖用能、工業(yè)鍋爐和發(fā)電廠的燃料等。相當于替代38.3萬tce，減少溫室氣體排放83萬噸/年，為農(nóng)民增收節(jié)支2.3億元，社會、生態(tài)和環(huán)境效益顯著[4]。

2 我國生物質(zhì)成型燃料制備技術的特點及存在的問題

2.1 我國生物質(zhì)成型燃料制備技術的特點

生物質(zhì)成型燃料加工技術是按成型加壓的方法不同來區(qū)分的，目前國內(nèi)外技術較為成熟、應用較多的生物質(zhì)成型燃料加工機有螺旋擠壓式、活塞沖壓式（包括機械式、液壓式）、輥模碾壓式（包括環(huán)模式和平模式）等。按照其成型過程是否對原料輔助加熱，上述三種加工方式又分為冷成型和熱成型兩類工藝；螺旋擠壓式、活塞沖壓式都屬于熱壓成型工藝，輥模碾壓式采用的是冷壓成型工藝[5]。各類固體成型技術綜合比較見表1。

表1 各類固體成型技術綜合比較

2.2 我國生物質(zhì)成型燃料制備存在的問題

在生物質(zhì)成型燃料的制備過程中也暴露了一些問題?？傮w來說，目前我國的生物質(zhì)固化成型裝備在設備的實用性、系列化、規(guī)?；线€很不足，距國際先進水平還有不小的差距。主要表現(xiàn)在生產(chǎn)率低、成型能耗高、主要工作部件壽命短、機器故障率多、費用高等方面。

（1）產(chǎn)量低，目前國產(chǎn)設備的最高臺時產(chǎn)量不到1500千克，距離規(guī)?；a(chǎn)的產(chǎn)量要求較大；如山東田農(nóng)機械生產(chǎn)的環(huán)模造粒機420型，配套動力95千瓦，生產(chǎn)能力僅為800～1000千克/小時。

（2）能耗高，粉料在螺旋擠壓成型前先要經(jīng)過電加溫預熱，擠壓成型過程每噸料電耗就在90kW·h以上；系統(tǒng)配套能耗更高。

（3）易損件壽命短，國產(chǎn)設備主要工作部件螺桿的最高壽命不超過500小時，距離國際先進水平1000小時以上還有不小的差距[6]。

（4）原料要求苛刻，螺旋擠壓成型機采用連續(xù)擠壓，成型溫度通常調(diào)整在220℃～280℃之間，為了避免成型過程中原料水分的快速汽化造成成型塊的開裂和“放炮”現(xiàn)象發(fā)生，一般要將原料含水率控制在8%～12%之間，所以有的物料要進行預干燥處理，，增加了加工成本；環(huán)模、平模冷壓造粒成型，對原材料的選擇要求較高，國內(nèi)大部分使用鋸末、稻殼類制造生物質(zhì)顆粒燃料，更多更廣泛的生物質(zhì)得不到利用，一次性使用原生秸稈生物料生產(chǎn)生物質(zhì)（秸稈）成型燃料難度更大。

（5）原生秸稈連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)國內(nèi)還處于空白，如大量的玉米秸稈、稻秸、棉花秸、小麥桔、樹皮、樹枝類等，由于含水量高，粗粉碎難度大無法得到有效利用。國內(nèi)原生秸稈連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的成套設備還在研究開發(fā)中。

（6）生物質(zhì)（秸稈）成型燃料因傳統(tǒng)加工工藝和裝備原因造成了成本過高，限制了生物質(zhì)（秸稈）成型燃料在我國的發(fā)展。

3 生物質(zhì)（秸稈）成型燃料

3.1 生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的產(chǎn)生

原生生物質(zhì)燃料和煤碳等直接燃料相比，存在許多的不足[7]：

（1）含碳量較少，含固定碳少。生物質(zhì)燃料中含碳量最高的也僅50%左右，相當于生成年代較少的褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量明顯地比煤炭少。因此，生物質(zhì)燃料不抗燒，熱值較低。

（2）含氫量稍多，揮發(fā)分明顯較多。生物質(zhì)燃料中的碳多數(shù)和氫結合成低分子的碳氫化合物，遇一定的溫度后熱分解而折出揮發(fā)物。所以，易被引燃，燃燒初期，析出量較大，在空氣和溫度不足的情況下易產(chǎn)生鑲黑邊的火焰。

（3）含氧量多。生物質(zhì)燃料含氧量明顯多于煤炭，這使生物質(zhì)燃料熱值低，但易于引燃。在燃燒室需氧量相對較低。

（4）密度小。生物質(zhì)燃料的密度比煤炭低，質(zhì)地比較疏松，特別是農(nóng)作物秸稈和糞類。這使得燃料易于燃燒和燃盡，灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭少。

（5）含硫量低。生物質(zhì)燃料含硫量大多少于0.2%。

3.2 生物質(zhì)（秸稈）成型燃料與原生物質(zhì)燃料的比較

相比之下，原生物質(zhì)經(jīng)過干燥、粉碎，在經(jīng)生物質(zhì)成型轉(zhuǎn)化為顆粒成型燃料，其密度可達到0.8～1.35g/cm3，體積壓縮比為7～10倍，便于儲存、運輸和處理；同時生物質(zhì)成型燃料的設備簡單，易于操作，價格相對低廉，易于推廣。成型的（秸稈）成型燃料的燃燒與分散的生物質(zhì)的燃燒相比具有以下優(yōu)點：

（1）成型的（秸稈）成型燃料的密度遠遠大于原生物質(zhì)，其結構與組織特征決定了揮發(fā)分的逸出速度與傳熱速度都大大降低，揮發(fā)分逸出速度變慢，燃燒速度適中，能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時傳遞給受熱面。

（2）揮發(fā)分燃燒所需要的氧氣與外界擴散的氧氣能夠很好的匹配，揮發(fā)分能夠充分燃盡，又不過多的加入空氣，減少了大量氣體不完全燃燒的損失及排煙的熱損失。

（3）揮發(fā)分燃燒后，剩余的焦炭骨架結構一樣，運動的氣流不能使骨架解體懸浮，這時炭的燃燒所需要的氧與靜態(tài)滲透擴散的氧相當，從而減少了固體不完全燃燒與排煙熱損失，燃燒時間明顯延長，燃燒相對穩(wěn)定。

3.3 生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的應用技術優(yōu)勢

在生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的制備中，生物質(zhì)（秸稈）成型燃料在不添加任何粘結劑條件下成型，并保證較高強度是一大技術難題。國內(nèi)有多家公司對此進行了技術研發(fā)和創(chuàng)新，其中四川雷鳴生物環(huán)保工程有限公司通過多年技術攻關，從工藝和裝備技術上創(chuàng)新，研發(fā)出一套新型工藝裝備。該工藝技術成套設備的優(yōu)點是：能一次性將高濕秸稈生物質(zhì)加工成符合標準的BBDF顆粒燃料，該成套設備對生物質(zhì)物料的適應范圍廣，前處理粉碎采用無篩結構和生物質(zhì)物理調(diào)質(zhì)后再采用該公司專利造粒機成型，提高了成形效果，節(jié)約了能量消耗，噸（秸稈）成型綜合生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)加工技術裝備下降了30%，為生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的低成本加工提供了技術裝備。該公司研發(fā)的單機生產(chǎn)線年產(chǎn)可達2萬噸的生物質(zhì)（秸稈）成型燃料項目的工藝流程見下圖。

該公司生物質(zhì)（秸稈）成型燃料示范項目技術經(jīng)濟指標：

（1）生產(chǎn)能力為不低于3噸/小時，直徑為20～30mm，長度不大于100mm，最小產(chǎn)量不低于3噸；

（2）原料為原生態(tài)玉米秸、稻草秸、小麥秸；

（3）全套生產(chǎn)線產(chǎn)品噸電耗不大于110度；

（4）生物質(zhì)（秸稈）成型燃料水分不大于20%，原料水分不大于30%；

（5）采用無干燥成套設備工藝；

（6）易損件消耗每噸產(chǎn)品低于28元人民幣。

生物質(zhì)（秸稈）成型燃料項目工藝流程圖

3.4 生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的經(jīng)濟效益

據(jù)有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國水稻、玉米、小麥和棉花等農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)總量6.04億噸，其中約有15%即0.91億噸被用來直接還田造肥，25%即1.51億噸被作為飼料，9%即0.54億噸被用做工業(yè)原料，除此之外，約51%即3.08億噸可以作為能源用途，其中已有1.9億噸被農(nóng)民在爐灶內(nèi)直接燃燒用來炊事和采暖，其余約1.18億噸則被廢棄在田間地頭或在田間直接焚燒，不僅浪費資源，也污染環(huán)境。另外，每年全國薪柴1.6億噸，林產(chǎn)工業(yè)木材剩余物4000萬立方米，造紙業(yè)產(chǎn)生的木材剩余物約1萬立方米，甘蔗渣4000萬噸，糧谷加工廠谷殼4000萬噸，這些剩余物絕大部分淪為廢棄物，成為各行業(yè)的環(huán)境負擔，增加處理成本。另外，我國尚有不宜種植糧食作物、但可以種植能源植物的土地約1億公頃，可人工造林土地有311萬公頃，按這些土地20%的利用率計算，每年約可生產(chǎn)10億噸生物質(zhì)。由此可見，我國的生物質(zhì)資源量相當豐富。

以生物質(zhì)為載體，由生物質(zhì)產(chǎn)生的能量，便是生物質(zhì)能，將生物質(zhì)用于能源即為生物質(zhì)能源。從經(jīng)濟角度講，農(nóng)林業(yè)秸稈及其加工剩余物等均為廢棄資源，對其加以再利用，變廢為寶，增加農(nóng)民收入，符合循環(huán)經(jīng)濟理念。從社會角度看，有關數(shù)據(jù)表明，在我國每100億元人民幣產(chǎn)值的生物質(zhì)能源工業(yè)可提供100多萬個就業(yè)崗位。我國現(xiàn)有森林年均凈耗量為34,395萬立方米，其中薪材占29.8%，為10,250萬立方米，如果將這些薪材制成木質(zhì)成型燃料用來發(fā)電（發(fā)電效率按30%計），每年可發(fā)電1230億度，每年可創(chuàng)產(chǎn)值369億元，增加369萬個工作崗位[8]。我國勞動力成本低，發(fā)展生物質(zhì)能源比發(fā)達國家更具競爭力，有利于生物質(zhì)（秸稈）成型燃料產(chǎn)業(yè)的出口創(chuàng)匯，可有力促進農(nóng)村經(jīng)濟和社會發(fā)展，有利于建設資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會?？傊?，生物質(zhì)除具有分布廣泛、資源豐富、成本低廉等特點外，還兼有可再生和清潔環(huán)保雙重優(yōu)勢，合理利用可實現(xiàn)資源綜合利用和節(jié)能減排雙重目標。

根據(jù)生物質(zhì)（秸稈）成型燃料生產(chǎn)廠家的實際測算，生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的熱值在15,540 ～ 17,640千焦/千克，銷售價格在500元/噸左右，成本在400元/噸左右，比相同熱值的煤炭價格稍高，但由于其熱效率為80%左右，遠遠高于煤炭的50%[9]。綜合比較來看，采用生物質(zhì)（秸稈）成型燃料供暖與煤炭供暖相比經(jīng)濟效益相近，但卻具有煤炭供暖無可比擬的環(huán)境效益。同時，生產(chǎn)加工出的生物質(zhì)（秸稈）成型燃料可以就地銷售，處理后的灰渣等副產(chǎn)品可以用作肥料及建筑材料。因此，生物質(zhì)（秸稈）成型燃料具有較好的經(jīng)濟、社會及環(huán)境效益。

4 生物質(zhì)燃料的市場需求展望

目前我國生物質(zhì)顆粒燃料加工設備的主要技術條件已經(jīng)具備，一些企業(yè)正投入生物質(zhì)顆粒燃料設備的生產(chǎn)，僅遼寧省就有18家之多，廠家生產(chǎn)能力可從2000噸/年到30,000噸/年不等，依需要而任意定制，也就是說，所生產(chǎn)設備可應用到任何地方，只要有生物質(zhì)資源，就可應用這種設備生產(chǎn)，大到可以建一座大型工廠，小到可以建一個小型加工點，甚至家庭作坊。同時國內(nèi)專門利用這種顆粒燃料的“生物質(zhì)能（顆粒）氣化燃燒鍋爐”也已研發(fā)成功，其燃燒效率高、SO2和NOx排放低，鍋爐熱效率78%以上，排煙黑度小于林格曼1級，排塵濃度小于80毫克/立方米，SO2排塵濃度小于80 毫克/立方米，達到國家環(huán)保一類區(qū)Ⅱ時段標準。而且隨著我國對能源與環(huán)境的綜合治理，燃燒生物質(zhì)成型燃料的爐具、灶具也將在中大城市的高檔別墅或住宅安裝使用，可以預見，在不久的將來，這種方便、節(jié)能、無污染的綠色能源將成為緊俏商品出現(xiàn)在各地超市或連鎖店中。因此，（秸稈）成型燃料不僅改變了燃燒性能，大幅提高了熱效率，而且克服了農(nóng)林生物質(zhì)原料由于外形體積龐雜而不便于輸送、儲存的缺陷，使其可以按任何規(guī)格加工、包裝，極大地方便了運輸、儲存，節(jié)約堆放場地和空間，可遠距離甚至可向海外輸送、銷售，真正實現(xiàn)生物質(zhì)資源的有效收集、方便運送、高效燃燒和便捷利用，因而在國內(nèi)任何會產(chǎn)生農(nóng)林業(yè)秸稈及其有加工剩余物的地方，都可以加工、銷售和利用（秸稈）成型燃料，實現(xiàn)農(nóng)林生物質(zhì)資源最充分、高效、便捷利用。

目前，生物制（秸稈）成型燃料市場行情非常好。1）價格方面：在美國市場上，小包裝生物質(zhì)（秸稈）成型燃料零售價格為170美元/噸，高時達280美元/噸；在瑞典的交貨價格為150美元/噸，高時達250美元。目前國內(nèi)市場還不完善，廣東省木質(zhì)顆粒批發(fā)價為750～850元/噸，高時達1100元/噸，大連地區(qū)木質(zhì)顆粒批發(fā)價為人民幣700～750元/噸，農(nóng)作物（秸稈）成型燃料批發(fā)價為人民幣430～600元/噸，北京地區(qū)約為人民幣650元/噸。2）需要量方面：國際市場具有廣闊的市場空間，亞洲的日本、韓國具有較大市場，特別是歐美市場潛力都非常，年需求生物質(zhì)成型燃料4000萬噸；在國內(nèi)市場由于不可再生能源資源匱乏，急需替代能源，目前年需求生物質(zhì)成型燃料3000萬噸[10]。

基于生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的諸多優(yōu)點和廣闊的市場前景，國家發(fā)改委制訂的《全國生物質(zhì)能開發(fā)利用工作情況及初步安排意見》和《生物質(zhì)成型燃料發(fā)展規(guī)劃》中指出，近期內(nèi)，結合解決農(nóng)村基本能源需要和改變農(nóng)村用能方式，開展生物質(zhì)（秸稈）成型燃料應用示范點建設，年消耗（秸稈）成型燃料500萬噸，代替300萬噸煤；到2020年，使生物質(zhì)（秸稈）成型燃料成為普遍使用的一種優(yōu)質(zhì)燃料，年消耗（秸稈）成型燃料5000萬噸，代替3000萬噸燃煤。

5 結語

目前，我國生物質(zhì)（秸稈）成型燃料開發(fā)利用處于初期發(fā)展階段，但其工藝技術水平已基本成熟；相關企業(yè)的技術裝備為生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)?；?、產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低奠定了基礎，相信在3～5年內(nèi)，我國的生物質(zhì)（秸稈）成型燃料產(chǎn)業(yè)將會得到迅速發(fā)展。由于生物質(zhì)燃料的可再生屬性，生物質(zhì)顆粒燃料的原料儲備相當豐富，生物質(zhì)（秸稈）成型燃料燃燒性能優(yōu)越，并且低碳、環(huán)保，隨著對環(huán)境問題的日益重視和全球資源緊缺的現(xiàn)實壓力，國家必然將加大新能源開發(fā)利用力度，從資金、技術、電價、稅收等方面制定一系列扶持政策，降低生物質(zhì)（秸稈）成型燃料的研發(fā)和生產(chǎn)成本，推進生物質(zhì)（秸稈）成型燃料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

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Preparation, Application and Market Demand of Biomass Straw Forming Fuel

ZHOU Bin1, LEI Jian-guo2, WEI Ran1
(1.Institute of Materials and Chemical Engineering, Sichuan College of Science and Engineering, Zigong Sichuan 643000;2. Sichuan Leiming Bio-Environmental Protection Engineering Co., Ltd, Zigong Sichuan 643000, China)

The article presents the application of biomass energy technology and research and development of biomass fuel at home and abroad; analyzes the preparation technology of biomass fuel, utilization of resource and the existing problems.Based on the production technology of biomass (straw) forming fuel and market demand of China national condition, the article carries out analysis and study.

biomass; forming fuel; preparation technology; market demand

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A

1006-5377（2011）06-0040-05