鄒 磊， 岳峻峰， 管詩駢， 張恩先， 丁建良

(江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102)

超臨界四角切圓燃燒鍋爐運行方式對水冷壁高溫腐蝕影響的試驗研究

鄒 磊， 岳峻峰， 管詩駢， 張恩先， 丁建良

(江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102)

針對某630 MW超臨界四角切圓燃燒鍋爐水冷壁存在的高溫腐蝕問題，對水冷壁近壁面煙氣成分(O2、CO及H2S)進行了測試，分析了運行O2體積分數(shù)、煤粉細度、入爐煤含硫量、緊湊燃盡風(CCOFA)風量、分離燃盡風(SOFA)風量及周界風量等因素對水冷壁高溫腐蝕及NOx排放特性的影響.結果表明：高溫腐蝕發(fā)生區(qū)域表現(xiàn)出明顯的強還原性氣氛；增大運行O2體積分數(shù)，同時保證風量沿爐膛高度方向上的合理分配可減弱水冷壁近壁面還原性氣氛；煤粉細度對水冷壁近壁面還原性氣氛的影響較小；隨著入爐煤含硫量的增加，水冷壁近壁面H2S體積分數(shù)增大，O2和CO體積分數(shù)則變化不大；較小的CCOFA風量及適當?shù)腟OFA風量有利于減輕水冷壁高溫腐蝕；周界風量對主燃燒區(qū)下部壁面區(qū)域還原性氣氛的影響較大，運行時應適當減少周界風量.

超臨界鍋爐； 四角切圓燃燒; 水冷壁； 運行方式； 高溫腐蝕； 還原性氣氛； NOx排放

我國多數(shù)燃煤鍋爐存在不同程度的高溫腐蝕問題，發(fā)生高溫腐蝕后的水冷壁管逐漸減薄，強度降低，在交變熱應力作用下腐蝕產物還會加速橫向裂紋的擴展，導致水冷壁發(fā)生爆管事故，嚴重影響燃煤鍋爐運行的安全性[1-2].大量研究結果表明，鍋爐水冷壁近壁面存在還原性氣氛是造成水冷壁高溫腐蝕的重要原因[3-4].近年來為控制NOx的排放，國內鍋爐廣泛采用低NOx燃燒器和空氣分級燃燒技術，在有效降低NOx生成的同時導致水冷壁近壁面產生大量的還原性氣體，高溫腐蝕問題更加普遍和嚴重.為緩解這一問題，國內外學者進行了多方面的研究，如高溫腐蝕機理、加裝側邊風技術及數(shù)值模擬等，取得了大量的成果[5-10].而在不改造燃燒系統(tǒng)且煤種基本穩(wěn)定的前提下，對爐膛水冷壁近壁面還原性氣氛影響最大的就是鍋爐運行方式.筆者針對某630 MW超臨界四角切圓燃燒鍋爐水冷壁存在高溫腐蝕問題開展現(xiàn)場試驗研究，得到不同運行方式下水冷壁近壁面還原性氣氛的分布特性及NOx排放特性，重點分析了運行方式對水冷壁近壁面還原性氣氛分布的影響，為低NOx燃燒方式下減輕該類型鍋爐水冷壁高溫腐蝕提供了運行參考.

1 設備概況

1.1鍋爐簡介

試驗鍋爐為某630 MW超臨界參數(shù)變壓運行的螺旋管圈直流爐.該鍋爐采用單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、固態(tài)排渣、π型露天布置.制粉系統(tǒng)配置6臺HP1003型中速磨煤機. 燃燒系統(tǒng)采用低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)，其燃燒器噴口布置方式見圖1．設有6層煤粉噴嘴，在煤粉噴嘴四周布置有周界風．每相鄰2層煤粉噴嘴之間布置1個組合噴嘴，其中包括上下2只預置水平偏角的輔助風噴嘴(CFS)和1只直吹風噴嘴．在緊鄰上層煤粉燃燒器組頂部布置有2層緊湊燃盡風(CCOFA)噴嘴．在整個煤粉燃燒器組頂部布置有1組5層可水平擺動的分離燃盡風(SOFA)噴嘴．

1.2測點布置

鍋爐啟動前，在高溫腐蝕嚴重的爐膛水冷壁區(qū)域的鰭片上安裝煙氣成分試驗測點，共安裝4層.其中SOFA風箱上部46 m標高位置、SOFA風箱下部38 m標高位置以及A層燃燒器下沿23 m標高位置各安裝12個測點，相同標高處每面墻均裝3個測點.由于二次風箱布置在兩側墻，C層、D層燃燒器之間30 m標高位置僅安裝6個測點，前后墻各裝3個測點.測點的具體布置見圖1.

圖1 燃燒器噴口及測點布置示意圖Fig.1 Arrangement of burner nozzles and measuring points

1.3試驗煤種特性

該鍋爐燃用煤種特性如表1所示.其中列出的3種煤收到基硫質量分數(shù)呈遞增趨勢，收到基水分、灰分質量分數(shù)適中，低位發(fā)熱量及干燥無灰基揮發(fā)分質量分數(shù)較高，均屬于易燃煤種.

表1 試驗煤種特性分析

1.4高溫腐蝕狀況

該鍋爐自投運以來一直存在水冷壁高溫腐蝕問題，近幾年由于環(huán)保要求的提高，鍋爐長期低氮燃燒后，水冷壁高溫腐蝕問題更為嚴重.多次停爐檢查發(fā)現(xiàn)，SOFA風箱下部區(qū)域(35～40 m標高)及A層燃燒器下沿區(qū)域(23 m標高)的水冷壁壁面高溫腐蝕較為嚴重.在調整鍋爐運行方式之前，在額定負荷下測試水冷壁近壁面煙氣成分及爐膛煙氣溫度分布發(fā)現(xiàn)，A層燃燒器下沿前墻及右墻、SOFA風箱左墻區(qū)域的還原性氣氛較強，尤其是SOFA風箱與CCOFA風箱之間區(qū)域，CO體積分數(shù)φ(CO)最高達到7.41%，H2S體積分數(shù)φ(H2S)最高達到255×10-6，O2體積分數(shù)φ(O2)均小于1%，測試現(xiàn)場該區(qū)域有濃烈的臭雞蛋味.同時該區(qū)域的煙氣溫度較高，為1 260 ℃左右(見圖2)，這與文獻[9]中的數(shù)值模擬結論一致.另有研究[11]表明，水冷壁近壁面還原性氣氛與該區(qū)域φ(O2)有關，當φ(O2)lt;2%時，較易發(fā)生高溫腐蝕，可以認為檢修發(fā)現(xiàn)的高溫腐蝕區(qū)域表現(xiàn)出明顯的缺氧及還原性氣氛.

圖2 爐內不同爐膛高度的平均煙氣溫度分布Fig.2 Distribution of average gas temperature along vertical direction of the furnace

2 試驗結果與分析

2.1運行O2體積分數(shù)的影響

維持機組負荷為630 MW，ABDEF 5臺磨煤機運行，入爐煤收到基硫質量分數(shù)(以下簡稱入爐煤含硫量)為0.5%左右.控制運行O2體積分數(shù)分別為2.9%、3.5%、3.8%和4.1%，保持蒸汽參數(shù)及其他參數(shù)穩(wěn)定,測量不同工況下水冷壁近壁面的煙氣成分.為全面分析運行方式對鍋爐燃燒的影響，對不同工況下鍋爐熱效率及NOx排放質量濃度也進行了測量.其中NOx排放質量濃度是指將脫硝系統(tǒng)進口截面測得NOx體積分數(shù)平均值折算到O2體積分數(shù)為6%條件下的質量濃度.

圖3給出了不同運行O2體積分數(shù)下水冷壁近壁面煙氣成分測試結果，其中每個小圖中各測點處第一行數(shù)字為運行O2體積分數(shù)為2.9%、3.5%、3.8%和4.1%時該區(qū)域近壁面O2體積分數(shù)的實測數(shù)值，單位為%；第二行數(shù)字為不同運行O2體積分數(shù)下該區(qū)域近壁面CO體積分數(shù)的實測數(shù)值，單位為%；第三行數(shù)字×10-6為不同運行O2體積分數(shù)下該區(qū)域近壁面H2S體積分數(shù)的實測數(shù)值，下同.

從圖3可以看出，隨著爐膛出口運行O2體積分數(shù)的增大，SOFA風箱上、下部區(qū)域還原性氣氛明顯減弱，當運行O2體積分數(shù)為3.8%左右時，該區(qū)域近壁面φ(H2S)均在200×10-6以下，當運行O2體積分數(shù)增大到4.1%時，由于大比例SOFA的稀釋作用，該區(qū)域φ(H2S)基本都在100×10-6以下，大部分測點的φ(CO)均小于2%，但均在1%以上.同時從圖3還可以看出，運行O2體積分數(shù)從2.9%增大到3.8%時，主燃燒區(qū)還原性氣氛略有減弱，但變化不是很明顯.但當運行O2體積分數(shù)增大到4.1%時，該區(qū)域還原性氣氛明顯增強，尤其是A層燃燒器下沿區(qū)域，測量處基本無氧，多數(shù)測點的φ(CO)超過7%，φ(H2S)最高值超過200×10-6.究其原因，在高運行O2體積分數(shù)下SOFA風量占總二次風量的比例較大，在試驗過程中，當運行O2體積分數(shù)增大至4.1%時，為保持爐膛風箱壓差穩(wěn)定，同時控制NOx生成量，5層SOFA風門全開，而主燃燒區(qū)輔助風門并沒有同步開大，雖然爐內總風量增加，但相對于低運行O2體積分數(shù)工況(5層SOFA風門未全開)，該工況試驗過程中沿爐膛高度方向風量分配偏差進一步加大，因而造成主燃燒區(qū)下部缺氧及還原性氣氛增強.增大運行O2體積分數(shù)可減弱爐膛水冷壁近壁面還原性氣氛，但在高運行O2體積分數(shù)下運行時還需注意沿爐膛高度方向上的風量分配，分配不當可能會造成主燃燒區(qū)下部缺氧.

鍋爐熱效率隨運行O2體積分數(shù)的增大呈先升后降的趨勢，4個工況下鍋爐熱效率分別為93.99%、94.11%、94.03%和94.02%. NOx排放質量濃度隨運行O2體積分數(shù)的增大而升高，4個工況下NOx排放質量濃度均較低，分別為178 mg/m3、183 mg/m3、192 mg/m3和201 mg/m3.綜合考慮，在額定負荷下，建議運行O2體積分數(shù)控制在3.8%左右.

2.2煤粉細度的影響

煤粉細度通過磨煤機出口折向擋板開度進行調節(jié).保持機組負荷在630 MW左右，爐膛出口O2體積分數(shù)為3.8%左右，ABDEF 5臺磨煤機運行.將運行磨煤機出口折向擋板開度分別調整為5格、7格和9格來改變煤粉細度.圖4給出了改變煤粉細度R90后水冷壁近壁面煙氣成分的分布,其中每組中3個數(shù)字分別對應較粗、適中、較細煤粉細度工況,下同.

(a)

(b)

(c)

(d)圖3 運行O2體積分數(shù)對水冷壁近壁面煙氣成分分布的影響Fig.3 Influence of oxygen concentration on distribution of different gas components near water wall

(a)

(b)

(c)

(d)圖4 煤粉細度對水冷壁近壁面煙氣成分分布的影響Fig.4 Influence of coal fineness on distribution of different gas components near water wall

從圖4可以看出，改變煤粉細度后水冷壁近壁面還原性氣氛變化不明顯，這可能有2方面的原因.首先，當前磨煤機研磨能力較好，燃用煤種也都較易磨制；煤粉細度隨磨煤機出口折向擋板開度的變化情況如圖5所示.由圖5可知，3個工況下煤粉細度均不超過23%，煤粉均較細.即使磨煤機出口折向擋板開度在5格位置，煤粉依然較細.微小的焦炭粒子所受慣性力作用較小而不易被分離出來沖刷水冷壁.其次，與鍋爐燃燒器特性有關，從圖1燃燒器噴口布置形式可以看出，一次風粉氣流被偏置二次風氣流裹在爐膛中央，形成富燃料區(qū)，而在四周水冷壁附近則形成富氧區(qū)，同時二次風剛度明顯強于一次風剛度，一次風粉氣流的偏轉角度由攜帶其偏置的二次風剛性決定.因此，改變煤粉細度對水冷壁近壁面還原性氣氛的影響有限.

圖5 磨煤機出口折向擋板開度對煤粉細度的影響Fig.5 Influence of opening degree of deflector baffle on coal fineness

煤粉變細后，煤粉燃盡率提高，鍋爐熱效率升高，NOx排放質量濃度變化則并不明顯.當磨煤機出口折向擋板開度分別在5格、7格和9格位置時，鍋爐熱效率分別為93.93%、94.03%和94.20%，NOx排放質量濃度分別為194 mg/m3、192 mg/m3和195 mg/m3.

2.3入爐煤含硫量的影響

為研究入爐煤含硫量對鍋爐高溫腐蝕的影響，進行了變煤種試驗.試驗過程中，入爐煤含硫量由0.5%增加至0.8%再增加至1.0%，保持鍋爐運行方式基本不變. 不同入爐煤含硫量下水冷壁近壁面煙氣成分測試結果如圖6所示.

(a)

(b)

(c)

(d)圖6 入爐煤含硫量對水冷壁近壁面煙氣成分分布的影響Fig.6 Influence of sulfur content in fuel on distribution of different gas components near water wall

從圖6可以看出，隨著入爐煤含硫量的增加，水冷壁近壁面H2S體積分數(shù)有所增大，尤其是在SOFA風箱上、下部區(qū)域；而A層燃燒器下沿區(qū)域H2S體積分數(shù)則沒有明顯的變化.同時從圖6還可以看出，水冷壁近壁面O2及CO體積分數(shù)并沒有明顯的變化.從表1可以看出，3種煤的低位發(fā)熱量、干燥無灰基揮發(fā)分質量分數(shù)比較接近，均屬于易燃煙煤，僅收到基硫質量分數(shù)逐漸增加，在變煤種試驗過程中鍋爐運行方式基本不變，爐內燃燒狀況也無太大變化，因而水冷壁近壁面O2及CO體積分數(shù)的變化不大.

2.4CCOFA風量的影響

CCOFA緊鄰主燃燒區(qū)上部，影響煤粉燃盡及主燃燒區(qū)上下風量的分配，因而對水冷壁近壁面還原性氣氛也有較大影響. 維持機組負荷為630 MW左右，鍋爐運行方式基本不變，調整CCOFA風門開度分別為25%、60%和100%時，水冷壁近壁面煙氣成分分布如圖7所示.

從圖7可以看出，隨著CCOFA風量的增加，主燃燒區(qū)水冷壁近壁面CO和H2S體積分數(shù)增大，O2體積分數(shù)減小，尤其是A層燃燒器下沿區(qū)域，當CCOFA風門開度由25%到全開時，該區(qū)域φ(CO)最高值由不到1.56%增大到5.22%，φ(H2S)也顯著增大，最高值達到162×10-6，多數(shù)測點位置無氧.而SOFA風箱上、下部區(qū)域近壁面還原性氣氛則無明顯變化.正如文獻[12]中所述，在LNCFS中，CCOFA位于主燃燒區(qū)上部，在總的二次風中所占比例較小且離SOFA噴口較遠，CCOFA風量對主燃燒區(qū)下部風量的影響要遠大于對SOFA風量的影響.CCOFA風量增加，SOFA風量有所減少，而主燃燒區(qū)下部風量減少則更為明顯.因而，主燃燒區(qū)水冷壁近壁面還原性氣氛增強，A層燃燒器下沿區(qū)域尤為明顯.較小比例的CCOFA風量有利于減輕爐膛水冷壁高溫腐蝕.

(a)

(b)

(c)

(d)圖7 CCOFA風量對水冷壁近壁面煙氣成分分布的影響Fig.7 Influence of CCOFA volume on distribution of different gas components near water wall

CCOFA風量對鍋爐熱效率及NOx生成量有較大影響.隨著CCOFA風門開度的增大，主燃燒區(qū)上部燃燒加強，同時該區(qū)域分級燃燒效果得到強化.因而鍋爐熱效率有所升高，分別為94.00%、94.11%和94.13%；NOx排放質量濃度則下降較為明顯，分別為282 mg/m3、278 mg/m3和239 mg/m3. 綜合考慮，在額定負荷下建議CCOFA風門開度控制在30%～50%.

2.5SOFA風量的影響

維持機組負荷在630 MW左右，ABDEF 5臺磨煤機運行，保持運行O2體積分數(shù)在3.8%左右，CCOFA風門開度為30%左右.調整5層SOFA風門開度分別為90%、70%和50%，需要說明的是，在SOFA風量調整過程中試驗煤種有所變化，其中前2個工況燃用煤種2，而SOFA風門開度為50%時燃用煤種1，入爐煤含硫量有所減少.調整過程中，關小SOFA風門開度的同時開大主燃燒區(qū)輔助風門開度，以保持爐膛風箱壓差.圖8給出了不同SOFA風量下水冷壁近壁面煙氣成分分布.

從圖8可以看出，煤質變化對試驗結果有一定的影響，但總體來說，SOFA風量減少后，A層燃燒器下沿區(qū)域還原性氣氛明顯減弱，SOFA風箱上部區(qū)域近壁面還原性氣氛增強，而SOFA風箱下部區(qū)域近壁面還原性氣氛無明顯變化.如前所述，SOFA風量占總二次風量比例較大，在總風量一定的條件下，改變SOFA風量會嚴重影響沿爐膛高度方向風量的分配，進而影響不同區(qū)域的還原性氣氛.從圖8還可以看出，SOFA風量減少后，C層、D層燃燒器之間區(qū)域CO和H2S體積分數(shù)增大，這可能是因為SOFA風門開度關小后，雖然同步開大了層間輔助風門開度，但也造成了偏置風量的增加，主燃燒區(qū)切圓燃燒半徑增大，從而加大了煤粉刷墻的可能.因此，過大或過小的SOFA風量均會造成爐膛不同區(qū)域局部還原性氣氛增強.

(a)

(b)

(c)

(d)圖8 SOFA風量對水冷壁近壁面煙氣成分分布的影響Fig.8 Influence of SOFA volume on distribution of different gas components near water wall

同樣SOFA風量對鍋爐燃燒的影響也較大.隨著SOFA風量的減少， NOx排放質量濃度明顯上升，分別為186 mg/m3、229 mg/m3和233 mg/m3；由于煤質變化，鍋爐熱效率呈先降后升的趨勢，分別為93.79%、93.69%和93.86%.

2.6周界風量的影響

在實際運行過程中，周界風量因其改變一次風粉氣流的剛性而對爐膛水冷壁近壁面還原性氣氛的影響較大.維持機組負荷在630 MW左右，ABDEF 5臺磨煤機運行，分別調整周界風門開度為100%、75%和55%時進行試驗. 不同周界風量下水冷壁近壁面煙氣成分的分布如圖9所示.

從圖9可以看出，周界風量減少后，水冷壁近壁面還原性氣氛減弱，尤其是A層燃燒器下沿區(qū)域.周界風門開度從100%關小至55%后，A層燃燒器下沿區(qū)域φ(CO)最高值由2.11%減小至0.12%，φ(H2S)也減小至10×10-6以下，φ(O2)基本都在3%以上，這可能有2方面的原因.首先，周界風量減少后，一次風粉氣流剛性減弱，穿透性變差，增強了偏置風“風包粉”的效果，煤粉不易刷墻，從而極大地改善了水冷壁近壁面還原性氣氛；另一方面，一次風粉氣流更易與周圍的高溫煙氣摻混，煤粉著火提前，爐膛煙氣溫度升高，煤粉燃盡率提高，從而抑制了主燃燒區(qū)和SOFA風箱上、下部區(qū)域近壁面還原性氣氛的生成.從圖9還可以看出，周界風門開度從100%關小至75%時，水冷壁近壁面還原性氣氛明顯減弱，而當周界風門開度進一步關小至55%時，水冷壁近壁面還原性氣氛整體仍有所減弱，但減弱趨勢并不明顯，部分測點的還原性氣氛還有所增強.這是因為試驗煤種為易燃煙煤，周界風門開度從75%關小至55%時，周界風量的改變對爐內煙氣摻混的影響有限，只有較大比例的周界風量才能阻礙高溫煙氣與一次風粉氣流的摻混. 而過小的周界風量也會導致一次風粉氣流剛性太差致使切圓偏斜，影響煤粉燃盡[13].

隨著周界風門開度的增大，一次風粉氣流剛性增強，煤粉顆粒著火推遲，因而NOx排放質量濃度和鍋爐熱效率均降低. 當周界風門開度為55%、75%和100%時，NOx排放質量濃度分別為258 mg/m3、255 mg/m3和239 mg/m3，鍋爐熱效率分別為94.07%、93.93%和93.79%.對于當前煤種，在額定負荷下建議周界風門開度控制在70%左右.

(a)

(b)

(c)

(d)圖9 周界風量對水冷壁近壁面煙氣成分分布的影響Fig.9 Influence of circumferential air volume on distribution of different gas components near water wall

3 結 論

(1)該類型鍋爐爐膛SOFA風箱下部區(qū)域及A層燃燒器下沿區(qū)域水冷壁高溫腐蝕較為嚴重，這些區(qū)域表現(xiàn)出明顯的缺氧及還原性氣氛.

(2)增大運行O2體積分數(shù)可減弱水冷壁近壁面還原性氣氛，但在增大運行O2體積分數(shù)的同時保證風量沿爐膛高度方向上的合理分配才是改善水冷壁近壁面還原性氣氛的關鍵.

(3)改變煤粉細度對水冷壁近壁面還原性氣氛的影響有限，一次風粉氣流的偏轉角度由攜帶其偏轉的二次風剛性決定.

(4)隨著入爐煤含硫量的增加，水冷壁近壁面H2S體積分數(shù)增大，O2和CO體積分數(shù)則變化不大.

(5)隨著CCOFA風量的增加，水冷壁近壁面還原性氣氛增強，在A層燃燒器下沿區(qū)域尤為明顯；在滿足NOx排放要求的前提下，較小比例的CCOFA風量有利于減輕爐膛水冷壁高溫腐蝕.

(6)SOFA風量減少后，A層燃燒器下沿區(qū)域還原性氣氛明顯減弱；SOFA風箱上部區(qū)域近壁面還原性氣氛增強，下部區(qū)域近壁面還原性氣氛則變化不明顯，C層、D層燃燒器之間區(qū)域CO和H2S體積分數(shù)增大.

(7)周界風量減少，一次風粉氣流剛性減弱，穿透性變差，偏置風“風包粉”的效果加強，同時一次風粉氣流更易與高溫煙氣摻混，煤粉燃盡率提高，從而使水冷壁近壁面還原性氣氛減弱.

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EffectsofOperationModeonHighTemperatureCorrosionoftheWaterWallinaSupercriticalTangentialFiringBoiler

ZOULei,YUEJunfeng,GUANShipian,ZHANGEnxian,DINGJianliang

(Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China)

To deal with the high temperature corrosion of the water wall in a 630 MW supercritical tangential firing boiler, experimental tests were carried out for the distribution characteristics of gas components (O2, CO and H2S) near water wall, and subsequently the effects of following factors on the high temperature corrosion and NOxemission were analyzed, such as the oxygen concentration, fineness of pulverized coal, sulfur content in fuel, and the flow rate of close coupled over-fire air (CCOFA), separated over-fire air (SOFA) and circumferential air, etc. Results show that high temperature corrosion mainly occurs in areas under strong reducing atmosphere; the reducing atmosphere near water wall could be decreased by increasing the oxygen concentration and reasonably setting the air distribution along vertical direction of the furnace; the fineness of pulverized coal has little effect on the reducing atmosphere near water wall; with the rise of sulfur content in fuel, the H2S concentration increases near water wall, while the O2and CO concentration remain basically unchanged; smaller CCOFA and proper SOFA flow rate are helpful to reduce the high temperature corrosion of water wall; the flow rate of circumferential air has great influence on the reducing atmosphere near water wall at the bottom of main burners, and it is proposed to appropriately reduce the flow rate of circumferential air in the process of operation.

supercritical boiler; tangential firing; water wall; operation mode; high temperature corrosion; reducing atmosphere; NOxemission

2016-10-08

2016-10-31

鄒 磊(1985-)，男，湖北黃岡人，高級工程師，碩士，主要從事電站鍋爐燃燒優(yōu)化、性能試驗和計算機數(shù)值模擬方面的研究．

電話(Tel.):15905166943；E-mail：zoulei0128@163.com．

1674-7607(2017)11-0861-09

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