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文檔簡(jiǎn)介

1、脫硝技術(shù)及珠江電廠脫硝系統(tǒng)介紹摘要:我國(guó)氮氧化物的排放量中70來(lái)自于煤炭的直接燃燒,電力工業(yè)又是我國(guó)的燃煤大戶,因此火力發(fā)電廠是NOx排放的主要來(lái)源之一??刂芅Ox排放的方法有低NOx燃燒技術(shù)以及煙氣脫硝技術(shù),細(xì)分又能分為空氣和燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)以及爐膛噴射法、選擇性催化還原法等等。本文從脫硝的現(xiàn)狀出發(fā),從工程上介紹當(dāng)今火電廠脫硝的常用技術(shù),重點(diǎn)講述選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝,并介紹廣州珠江電廠脫硝系統(tǒng)概況,以指導(dǎo)類(lèi)似工作實(shí)踐。關(guān)鍵詞:氮氧化物;脫硝;SCR;工藝一、火電廠脫硝技術(shù)綜述氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說(shuō)的氮氧化物NOx有多種不同形式:N2O、NO、N

2、O2、N2O3、N2O4和N2O5,其中NO和NO2是重要的大氣污染物。我國(guó)氮氧化物的排放量中70來(lái)自于煤炭的直接燃燒,電力工業(yè)又是我國(guó)的燃煤大戶,因此火力發(fā)電廠是NOx排放的主要來(lái)源之一。研究表明,氮氧化物的生成途徑有三種:A、熱力型NOx,指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸蒒Ox;B、燃料型NOx,指燃料中含氮化合物在燃燒過(guò)程中進(jìn)行熱分解,繼而進(jìn)一步氧化而生成NOx;C、快速型NOx,指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成NOx。在這三種形式中,快速型NOx所占比例不到5;在溫度低于1300時(shí),幾乎沒(méi)有熱力型NOx。對(duì)常規(guī)燃煤鍋爐而言,NOx主要通過(guò)燃料型生成途徑而產(chǎn)生。控制

3、NOx排放的技術(shù)指標(biāo)可分為一次措施和二次措施兩類(lèi),一次措施是通過(guò)各種技術(shù)手段降低燃燒過(guò)程中的NOx生成量;二次措施是將已經(jīng)生成的NOx通過(guò)技術(shù)手段從煙氣中脫除。即低NOx燃燒技術(shù)以及煙氣脫硝技術(shù)。(一)低NOx燃燒技術(shù)為了控制燃燒過(guò)程中NOx的生成量所采取的措施原則為:(1)降低過(guò)量空氣系數(shù)和氧氣濃度,使煤粉在缺氧條件下燃燒;(2)降低燃燒溫度,防止產(chǎn)生局部高溫區(qū);(3)縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間等。低NOx燃燒技術(shù)主要包括如下方法:空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器。在此不作詳述。(二)煙氣脫硝技術(shù)1、爐膛噴射法(SNCR)實(shí)質(zhì)是向爐膛噴射還原性物質(zhì),可在一定溫度條件下還

4、原已生成的NOx,從而降低NOx的排放量。包括噴水法、二次燃燒法(噴二次燃料即前述燃料分級(jí)燃燒)、噴氨法等。噴氨法亦稱(chēng)選擇性非催化還原法(SNCR),是在無(wú)催化劑存在條件下向爐內(nèi)噴入還原劑氨或尿素,將NOx還原為N2和H2O。還原劑噴入鍋爐折焰角上方水平煙道(9001000),在NH3/NOx摩爾比23情況下,脫硝效率3050。在950左右溫度范圍內(nèi),反應(yīng)式為:4NH3+4NOO24N2+6H2O當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),會(huì)發(fā)生如下的副反應(yīng),又會(huì)生成NO:4NH3+5O24NO+6H2O當(dāng)溫度過(guò)低時(shí),又會(huì)減慢反應(yīng)速度,所以溫度的控制是至關(guān)重要的。該工藝不需催化劑,但脫硝效率低,高溫噴射對(duì)鍋爐受熱面安全有一

5、定影響。存在的問(wèn)題是由于溫度隨鍋爐負(fù)荷和運(yùn)行周期而變化及鍋爐中NOx濃度的不規(guī)則性,使該工藝應(yīng)用時(shí)變得較復(fù)雜。在同等脫硝率的情況下,該工藝的NH3耗量要高于SCR工藝,從而使NH3的逃逸量增加。2、煙氣處理法煙氣脫硝技術(shù)有氣相反應(yīng)法、液體吸收法、吸附法、液膜法、微生物法等幾類(lèi)。在眾多煙氣處理技術(shù)中,液體吸收法的脫硝效率低,凈化效果差;吸附法雖然脫硝效率高,但吸附量小,設(shè)備過(guò)于龐大,再生頻繁,應(yīng)用也不廣泛;液膜法和微生物法是兩個(gè)新型技術(shù),還有待發(fā)展;脈沖電暈法可以同時(shí)脫硫脫硝,但如何實(shí)現(xiàn)高壓脈沖電源的大功率、窄脈沖、長(zhǎng)壽命等問(wèn)題還需要解決;電子束法技術(shù)能耗高,并且有待實(shí)際工程應(yīng)用檢驗(yàn);SNCR法

6、氨的逃逸率高,影響鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性等問(wèn)題;目前脫硝效率高,最為成熟的技術(shù)是SCR技術(shù)。表1所示為煙氣脫硝技術(shù)比較。表1 煙氣脫硝技術(shù)比較方法原理技術(shù)特點(diǎn)催化分解法在催化劑作用下,使NO直接分解為N2和O2。主要的催化劑有過(guò)渡金屬氧化物、貴金屬催化劑和離子交換分子篩等。不需耗費(fèi)氨,無(wú)二次污染。催化活性易被抑制,二氧化硫存在時(shí)催化劑中毒問(wèn)題嚴(yán)重,還未工業(yè)化選擇性非催化還原法用氨或尿素類(lèi)物質(zhì)使NOx還原為N2和H2O。效率較高,操作費(fèi)用較低,技術(shù)已工業(yè)化。溫度控制較難,氨氣泄漏可能造成二次污染。選擇性催化還原法在特定催化劑作用下,用氨或其它還原劑選擇性地將NOx還原為N2和H2O。脫除率高,

7、被認(rèn)為是最好的煙氣脫硝技術(shù)。投資和操作費(fèi)用大,也存在NH3的泄漏。固體吸附法吸附對(duì)于小規(guī)模排放源可行,具有耗資少,設(shè)備簡(jiǎn)單,易于再生。但受到吸附容量的限制,不能用于大排放源。電子束法用電子束照射煙氣,生成強(qiáng)氧化性O(shè)H基、O原子和NO2,這些強(qiáng)氧化基團(tuán)氧化煙氣中的二氧化硫和氮氧化物,生成硫酸和硝酸,加入氨氣,則生成硫硝銨復(fù)合鹽。技術(shù)能耗高,并且有待實(shí)際工程應(yīng)用檢驗(yàn)。濕法脫硝先用氧化劑將難溶的NO氧化為易于被吸收的NO2,再用液體吸收劑吸收。脫除率較高,但要消耗大量的氧化劑和吸收劑,吸收產(chǎn)物造成二次污染。(三)SCR法技術(shù)特點(diǎn)在眾多的脫硝技術(shù)中,選擇性催化還原法(SCR)是脫硝效率最高,最為成熟的

8、脫硝技術(shù)。在歐洲已有120多臺(tái)大型裝置的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),其N(xiāo)Ox的脫除率可達(dá)到8090%。日本大約有170套裝置,接近100GW容量的電廠安裝了這種設(shè)備。美國(guó)政府也將SCR技術(shù)作為主要的電廠控制NOx技術(shù)。SCR方法已成為目前國(guó)內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。1、原理及流程SCR技術(shù)是還原劑(NH3、尿素)在催化劑作用下,選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H2O,而不是被O2所氧化,故稱(chēng)為“選擇性”。主要反應(yīng)如下:4NH3+4NOO24N2+6H2O4NH3+2NO2O26N2+6H2OSCR系統(tǒng)包括催化劑反應(yīng)室、氨儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)及相關(guān)的測(cè)試控制系統(tǒng)。SCR工藝的核心裝置是脫硝反應(yīng)器,在燃煤鍋

9、爐中,煙氣中的含塵量很高,一般采用垂直氣流方式。按照催化劑反應(yīng)器在煙氣除塵器之前或之后安裝,可分為“高飛灰”或“低飛灰”脫硝,采用高塵布置時(shí),SCR反應(yīng)器布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間。優(yōu)點(diǎn)是煙氣溫度高,滿足了催化劑反應(yīng)要求。缺點(diǎn)是煙氣中飛灰含量高,對(duì)催化劑防磨損、堵塞及鈍化性能要求更高。對(duì)于低塵布置,SCR布置在煙氣脫硫系統(tǒng)和煙囪之間。煙氣中的飛灰含量大幅降低,但為了滿足溫度要求,需要安裝煙氣加熱系統(tǒng),系統(tǒng)復(fù)雜,運(yùn)行費(fèi)用增加,故一般選擇高塵布置方式。2、主要影響因素在SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,最重要的運(yùn)行參數(shù)是煙氣溫度、煙氣流速、氧氣濃度、SO3濃度、水蒸汽濃度、鈍化影響和氨逃逸等。煙氣溫度是選擇催化

10、劑的重要運(yùn)行參數(shù),催化反應(yīng)只能在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,同時(shí)存在催化的最佳溫度,這是每種催化劑特有的性質(zhì),因此煙氣溫度直接影響反應(yīng)的進(jìn)程;而煙氣流速直接影響NH3與NOx的混合程度,需要設(shè)計(jì)合理的流速以保證NH3與NOx充分混合使反應(yīng)充分進(jìn)行;同時(shí)反應(yīng)需要氧氣的參與,當(dāng)氧濃度增加催化劑性能提高直到達(dá)到漸近值,但氧濃度不能過(guò)高,一般控制在2%3;氨逃逸是影響SCR系統(tǒng)運(yùn)行的另一個(gè)重要參數(shù),實(shí)際生產(chǎn)中通常是多于理論量的氨被噴射進(jìn)入系統(tǒng),反應(yīng)后在煙氣下游多余的氨稱(chēng)為氨逃逸,NOx脫除效率隨著氨逃逸量的增加而增加,在某一個(gè)氨逃逸量后達(dá)到一個(gè)漸進(jìn)值;另外水蒸氣濃度的增加使催化劑性能下降,催化劑鈍化失效也不

11、利于SCR系統(tǒng)的正常運(yùn)行,必須加以有效控制。3、催化劑的選擇SCR系統(tǒng)中的重要組成部分是催化劑,當(dāng)前流行的成熟催化劑有蜂窩式、波紋狀和平板式等。平板式催化劑一般是以不銹鋼金屬網(wǎng)格為基材負(fù)載上含有活性成份的載體壓制而成;蜂窩式催化劑一般是把載體和活性成份混合物整體擠壓成型;波紋狀催化劑外形如起伏的波紋,從而形成小孔。加工工藝是先制作玻璃纖維加固的TiO2基板,再把基板放到催化活性溶液中浸泡,以使活性成份能均勻吸附在基板上。各種催化劑活性成分均為WO3和V2O5。表2為各種催化劑性能比較。表2 不同催化劑性能比較性能參數(shù)蜂窩式板式波紋狀蜂窩式基材整體擠壓不銹鋼金屬板玻璃纖維板催化劑活性中低高氧化率

12、高高低壓力損失高中低抗腐蝕性一般高一般抗中毒性(As)低低高堵塞可能性中低中模塊重量中重輕耐熱性中中中4、還原劑的選擇對(duì)于SCR工藝,選擇的還原劑有尿素、氨水和純氨。尿素法是先將尿素固體顆粒在容器中完全溶解,然后將溶液泵送到水解槽中,通過(guò)熱交換器將溶液加熱至反應(yīng)溫度后與水反應(yīng)生成氨氣;氨水法,是將25的含氨水溶液通過(guò)加熱裝置使其蒸發(fā),形成氨氣和水蒸汽;純氨法是將液氨在蒸發(fā)器中加熱成氨氣,然后與稀釋風(fēng)機(jī)的空氣混合成氨氣體積含量為5的混合氣體后送入煙氣系統(tǒng)。表3為不同還原劑的性能比較。表3 不同還原劑比較項(xiàng)目液氨氨水尿素反應(yīng)劑費(fèi)用便宜較貴最貴運(yùn)輸費(fèi)用便宜貴便宜安全性有毒有害無(wú)害存儲(chǔ)條件高壓常壓常壓

13、,干態(tài)儲(chǔ)存方式液態(tài)液態(tài)微粒狀初投資費(fèi)用便宜貴貴運(yùn)行費(fèi)用便宜貴需要高熱量蒸發(fā)蒸餾水和氨貴需要高熱量水解尿素和蒸發(fā)氨設(shè)備安全要求有法律規(guī)定需要基本上不需要5、選型性還原脫硝技術(shù)比較選擇性還原脫硝技術(shù)包括選擇性非催化還原(SNCR)法、選擇性催化還原(SCR)法和SNCR/SCR混合法。在這些方法中SNCR的主要優(yōu)點(diǎn)是投資及運(yùn)行費(fèi)用低,缺點(diǎn)是對(duì)溫度依賴(lài)性強(qiáng),脫硝率只有30%50%,氨的逃逸量大。實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是SCR法。SNCR/SCR混合法是種有前景的煙氣脫硝技術(shù),但牽涉的系統(tǒng)更多,對(duì)技術(shù)的要求更高。液氨在我國(guó)的危險(xiǎn)貨物品名表(GB12268)中被列為有毒氣體(編23003)。根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品

14、安全管理?xiàng)l例、關(guān)于加強(qiáng)化學(xué)危險(xiǎn)物品管理的通知等的規(guī)定,使用和存儲(chǔ)液氨的單位需要獲得國(guó)家主管部門(mén)的許可,并具有相應(yīng)的資質(zhì)。而尿素作為一種農(nóng)用肥料,其使用和運(yùn)輸具有方便、安全的優(yōu)點(diǎn)。珠江電廠SCR工程設(shè)計(jì)中對(duì)于無(wú)水氨的安全性做了充分考慮,如氨系統(tǒng)安全距離的設(shè)置、超壓保護(hù)、泄漏檢測(cè)、人員安全保護(hù)設(shè)施,泄放物封閉處理等等。市場(chǎng)商用的尿素制氨系統(tǒng)都為各供貨商的專(zhuān)利技術(shù),國(guó)內(nèi)尚無(wú)可以商用的尿素制氨系統(tǒng),尿素制氨系統(tǒng)必須進(jìn)口。無(wú)論何種尿素制氨系統(tǒng),都相當(dāng)于一個(gè)小的化工廠。其制備方法可以分為水解法和熱解法兩種。無(wú)論是水解法或者熱解法,目前商用的都是各個(gè)廠家的專(zhuān)利技術(shù),且都需要全套進(jìn)口;而液氨在國(guó)內(nèi)是一種常用的

15、化工原料,其全部的存儲(chǔ)和制備設(shè)備全部可以國(guó)產(chǎn)。這使尿素的設(shè)備初置成本比液氨要高出許多。由于尿素溶液的易結(jié)晶性,在尿素制氨系統(tǒng)中,對(duì)于所有尿素溶液的容器和管道必須進(jìn)行伴熱(蒸汽或者電伴熱),將溶液的溫度保持在其相應(yīng)濃度的結(jié)晶溫度以上;在尿素制氨系統(tǒng)中,氨基甲酸銨作為一種中間產(chǎn)物具有較高的腐蝕性,所以除了尿素存儲(chǔ)庫(kù)外,其余的設(shè)備和管道全部為不銹鋼,并且需要將尿素溶液加熱在氨基甲酸銨的形成溫度之上;對(duì)于液氨系統(tǒng),液氨存儲(chǔ)罐、液氨稀釋槽、液氨蒸發(fā)器等設(shè)備和管道全部都可以使用碳鋼。使用液氨作為原料的系統(tǒng),只需將液氨蒸發(fā)即可得到氨蒸汽;而使用液氨作為原料的系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)熱解或者水解來(lái)得到。在尿素轉(zhuǎn)化為NH3

16、的過(guò)程中,即使不考慮尿素本身純度因素,還會(huì)產(chǎn)生水、二氧化碳等副產(chǎn)品,其反應(yīng)器出口成份:NH3占2228%,CO2占1427%,H20占5058%。而無(wú)水氨作為最純的反應(yīng)劑,直接跟NOx反應(yīng)生成無(wú)害的水和氮?dú)猓瑳](méi)有副產(chǎn)品。由于尿素的產(chǎn)物中水蒸氣的存在,從尿素分解槽(水解槽)出的混合蒸汽在進(jìn)入混合器前,為了防止水蒸氣的凝結(jié)和高腐蝕性的氨基甲酸銨的形成,其管材和閥門(mén)需要使用不銹鋼,并且采用伴熱措施;而在液氨作為還原劑原料的系統(tǒng)中,這些全部可以使用碳鋼。本工程80%脫硝效率下單臺(tái)機(jī)組氨耗量為292kg/hr,市場(chǎng)價(jià)格為2100RMB/t;若用尿素作為還原劑,則需要553kg/hr,市場(chǎng)價(jià)1700RMB

17、/t。每年運(yùn)行5000小時(shí)計(jì)算,液氨的年原料費(fèi)用為304.6萬(wàn)元,尿素的年原料費(fèi)用為470.0萬(wàn)元。因此選用液氨法較好。以下是幾個(gè)還原脫硝技術(shù)的對(duì)比。表4 選型性還原脫硝技術(shù)比較內(nèi)容SCRSNCRSNCR/SCR混合型還原劑NH3或尿素尿素或NH3尿素或NH3反應(yīng)溫度3204008501250前段:8501250,后段:320400催化劑成份主要為T(mén)iO2,V2O5,WO3不使用催化劑后段加裝少量催化劑(成份同前)脫硝效率70%90%大型機(jī)組25%40%40%90%反應(yīng)劑噴射位置多選擇于省煤器與SCR反應(yīng)器間煙道內(nèi)通常爐膛內(nèi)噴射綜合SCR和SNCRSO2/SO3氧化會(huì)導(dǎo)致SO2/SO3氧化不導(dǎo)

18、致SO2/SO3氧化SO2/SO3氧化較SCR低NH3逃逸<3ppm510ppm<3ppm對(duì)空氣預(yù)熱器影響催化劑中的V、Mn、Fe等多種金屬會(huì)對(duì)SO2的氧化起催化作用,SO2/SO3氧化率較高,而NH3與SO3易形成NH4HSO4造成堵塞或腐蝕不會(huì)因催化劑導(dǎo)致SO2/SO3的氧化,造成堵塞或腐蝕的機(jī)會(huì)為三者最低SO2/SO3氧化率較SCR低,造成堵塞或腐蝕的機(jī)會(huì)較SCR低系統(tǒng)壓力損失催化劑會(huì)造成較大的壓力損失沒(méi)有壓力損失催化劑用量較SCR小,產(chǎn)生的壓力損失相對(duì)較低燃料的影響高灰分會(huì)磨耗催化劑,堿金屬氧化物會(huì)使催化劑鈍化無(wú)影響影響與SCR相同鍋爐的影響受省煤器出口煙氣溫度的影響受爐膛

19、內(nèi)煙氣流速、溫度分布及NOx分布的影響受爐膛內(nèi)煙氣流速、溫度分布及NOx分布的影響占地空間大(需增加大型催化劑反應(yīng)器和供氨或尿素系統(tǒng))小(鍋爐無(wú)需增加催化劑反應(yīng)器)較小(需增加一小型催化劑反應(yīng)器.)二、珠江電廠脫硝工藝系統(tǒng)介紹(一)工程概況本工程采用選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝。采用單爐體雙SCR結(jié)構(gòu)體布置,采用高灰型SCR布置方式,即SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口和空氣預(yù)熱器之間,在爐后消防通道的上方,不設(shè)旁路。催化劑層數(shù)按21模式布置,初裝2層預(yù)留1層,在設(shè)計(jì)煤種及校核煤種、鍋爐最大連續(xù)出力工況(BMCR)、處理100%煙氣量、在布置2層催化劑條件下脫硝效率不小于80%。脫硝催化劑

20、型式采用蜂窩式或者平板式,SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要滿足多廠家催化劑的互換能力和裕量。反應(yīng)器安裝雙吹掃裝置,即蒸汽吹灰器和聲波吹灰器。還原劑采用液氨,氨的卸載、儲(chǔ)存、制備、供應(yīng)系統(tǒng)按4×300MW+1×1000MW機(jī)組脫硝效率80%設(shè)計(jì)。(二)SCR工藝系統(tǒng)SCR脫硝工藝系統(tǒng)可分為液氨儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、氨氣制備和供應(yīng)系統(tǒng)、氨/空氣混合系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器系統(tǒng)和廢水吸收處理系統(tǒng)等。如下圖:其中由液氨槽車(chē)運(yùn)送液氨,利用卸料壓縮機(jī),液氨由槽車(chē)輸入儲(chǔ)氨罐內(nèi),并依靠自身重力和壓差將儲(chǔ)氨罐中的液氨輸送到液氨蒸發(fā)槽內(nèi)蒸發(fā)為氨氣,后經(jīng)與稀釋風(fēng)機(jī)鼓入的稀釋空氣在氨/空氣混合器中混合后,送達(dá)氨噴射

21、系統(tǒng)。在SCR入口煙道處,噴射出的氨氣和來(lái)自鍋爐省煤器出口的煙氣混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器,通過(guò)催化劑進(jìn)行脫硝反應(yīng),最終通過(guò)出口煙道回至鍋爐空預(yù)器,達(dá)到脫硝的目的。氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣則排入廢水池,經(jīng)吸收后再經(jīng)由廢水泵送至廢水處理廠處理。1、液氨儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)液氨儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)為公用系統(tǒng),且該系統(tǒng)主要設(shè)備設(shè)計(jì)為兩用一備,主要包括卸料壓縮機(jī)和儲(chǔ)氨罐。液氨由槽車(chē)運(yùn)送,經(jīng)卸料壓縮機(jī),輸入儲(chǔ)氨罐內(nèi)。儲(chǔ)氨罐上安裝有逆止閥、緊急關(guān)斷閥和安全閥為液氨泄漏保護(hù)所用。儲(chǔ)氨罐還裝有溫度計(jì)、壓力表、液位計(jì)和相應(yīng)的變送器,將信號(hào)送到脫硝控制系統(tǒng)。儲(chǔ)氨罐四周安裝有工業(yè)水噴淋管線及噴嘴,當(dāng)儲(chǔ)氨罐內(nèi)溫度或壓力高報(bào)警時(shí)自動(dòng)淋水裝置啟動(dòng),對(duì)罐體自動(dòng)噴淋減溫;當(dāng)有微量氨氣泄露時(shí)也可啟動(dòng)自動(dòng)淋水裝置,對(duì)氨氣進(jìn)行吸收,控制氨氣污染。2、氨氣制備和供應(yīng)系統(tǒng)氨氣制備和供應(yīng)系統(tǒng)為公用系統(tǒng),主要包括液氨蒸發(fā)槽,該系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)為兩用一備。液氨蒸發(fā)槽是利用蒸汽將儲(chǔ)氨罐輸送來(lái)的液氨

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