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行业新闻

达冠环保的低NOx生物质颗粒燃烧机

达冠环保的低NOx生物质颗粒燃烧机

    低NOx生物质颗粒燃烧机的简要原理和构造图1上的实线表示预混合火焰中的NOx生成量和空气比的关系,中心线是表示扩散火焰中NOK生成量与空气比的关系。

    预混合火焰和扩散火焰中生成NOx的特性有以下几点不同:

    1)当空气比在大致为1以上的高空气比范围内时,预混合火焰中的NOx量随着空气比的增加而显著减少,而扩散火焰的NOx量则不然,当一度升高以后,就不再有很大的变化了。

    2)当采取在预热过的助燃空气中混入再循环烟气,或者只用常温空气作为助燃空气的方法来使火焰温度降低时,预混合火焰中NOx量的减少要比扩散火焰显著得多。

    总之,预混合火焰与扩散火焰相比,具有容易达到低NOK化的特性。

    作者们根据上述几点着手研制燃烧气体的NOK生物质颗粒燃烧机

    主要的原理是以下几点:

    1)采用预混合火焰。

    2)把高浓度的预混合火焰和低浓度的空气比规定为略大于。

    3)在采用预热空气的情况下,混入再循环烟气。

    图2是表示这种燃烧气体的低NOx燃烧器的简要结构。空气通道分成三个室,分别在各个室的顶端连接喷嘴。

    在三个空气通道内装有可燃气和空气的混合器。在图上的中间通路内通过有高浓度燃料的预混合气体,在上下通路内通过有低浓度燃料的预混合气体。

    图1表明,高浓度的预混合火焰产生(4)点或者(4’)点的NOx量,低浓度的预混合火焰产生(口)点或者(口’)点的NOx量,因此两者组合起来的这种生物质颗粒燃烧机的空气比、产生的NOx量是在同一图的(一)点或者(,,)点上。(,、)点或者(,、.)点上的NOx无论是与采用了均等空气比的单纯预混合火焰的NOx量[(=)或者(z)],或者是与扩散火焰的NOx量[(d)或者(来)]相比都是非常低的。

单只水平浓缩生物质颗粒燃烧机在燃烧试验台上的试验研

    一、引言

    电力工业对煤燃烧的要求是高效、稳燃、防结渣和低污染。由于这四个方面的要求往往相互矛盾,因此现有技术不能同时满足这四方面的要求。

    水平浓缩煤粉燃烧可以同时满足上述要求。其构思如下:通过安装于一次风煤粉管道上的高浓缩比的煤粉浓缩器使一次风煤粉气流分成浓淡两股,其中一股为高浓度煤粉气流,含一次风煤粉气流中的煤粉的大部分,另一股为淡煤粉气流,其浓度很低。这两股气流在水平方向上以一定的夹角Q(Q≥0)喷入炉膛内,如图l所示[1】。浓煤粉气流在向火侧喷入炉膛;淡煤粉气流在背火侧(浓煤粉气流与水冷壁之间)喷入炉膛。浓淡气流各自远离燃料燃烧的化学当量比,从而可以抑制NO。的形成;两股气流的总过量空气系数接近常规燃烧器设计中的取值(桕当于挥发份燃烧的化学当量比),而且在着火后淡煤粉气流及时混入,从而保证高燃烧效率;向火侧浓煤粉气流中的煤粉浓度高,可以保证煤粉的及时着火和稳燃;背火侧的淡煤粉气流在炉膛水冷壁附近形成比普通燃烧器更强的氧化性气氛,提高了灰的熔化温度,可以防止结渣。

    二、试验装置

    为了使在煤粉燃烧试验台上的试验数据对水平浓缩生物质颗粒燃烧机在工业规模上的应用有切实的指导意义,燃烧试验台(图2,在图2中,1.煤粉仓,2.振打器,3.给粉机,本文得到国家自然科学基金委员会的资助。

    三、试验结果及讨论

    试验中采用鸡西烟煤与芙蓉煤的混煤,其煤质分析结果如下:

    Va,=25.91%, Ma,=1.06VO, Aar=20.43%, Qnet,ar=26230 kj/kg

    试验中对水平浓缩生物质颗粒燃烧机的浓缩比和一次风速对燃烧牲能的影响进行了研究。浓缩比R。定义为浓淡两股一次风之间的煤粉浓度比,试验中的设定值为R。-1:1,3:1,5:1。其中R。-1:1的工况相当于没有浓缩的双喷口普通燃烧器,试验中,由于给粉量及一次风量的偏差所致,实际的浓缩比为R。-1.3:1,3.6:1,5.2:1。

    一次风速Wl在试验中的设定值为Wi=25,30,20 m/s。由于采用冷风送粉,因此燃烧器喷口参数的模拟遵守这样一个原则,即保证燃烧器喷口的一次风率不变,燃烧器喷口截面按常规一次风温下的一次风体积和设定的一次风速设计,试验时不保证一次风出口实际速度等于设定值。由于这一原因,试验时对应于上述设定的速度值的实际喷口风速分别为17.4 m/s,20.9 m/s,13.9 m/s。另外,由于当一次风速设定为20 m/s时,所选一次风率为20Vo,因此,各个工况下的一次风率(Vo)等于该工况下一次风速的设定值。

    试验结果及讨论如下:

    1.浓缩比对煤粉气流着火的影响    生物质颗粒燃烧机的浓缩比对煤粉气流着火的影响如图3所示。图3a是燃烧器轴线上的烟气温度变化,图3b是对应于升温曲线的上拐点的温度瓦i随浓缩比的变化趋势,图3c是升温曲线的上拐点距离燃烧器出口距高L。i随浓缩比的变化趋势。从图中可以看出,随着浓缩比的提高,煤粉气流的温度水平升高了,升温曲线的上拐点温度亦更高,且距燃烧器喷口距离更近。这些说明水平浓缩煤粉:单只水平浓缩生物质颗粒燃烧机在1 MW燃烧试验台上的试验研究燃烧器使得煤粉气流的化学反应速度加快,其着火比普通燃烧器提前了,使得煤粉稳定燃烧的升温曲线的上拐点提前,且温度值更高。

    2.浓缩比对煤粉气流燃烧温度的影响    从图4中可能看出,随着浓缩比的增加,相同点的煤粉气流的温度水平逐渐升高,尤其是浓缩的情况(R。-3.6:1,5.2:1)与不浓缩的情况(R。=1.3:1)差别更为明显。图3a也显示了类似的结果。因此,从稳燃的角度出发,应该适当提高燃烧器的浓缩比。

    因为红外线测温仪的测量结果受到油燃烧器高温火焰的背景辐射的影响而无规律,因而本文没有采用。

    3.浓缩比对燃烧区域煤粉气流燃尽的影响    如图5所示,当浓缩比增加时,飞灰含碳量呈下降趋势,说明水平浓缩煤粉燃烧可以提高燃尽区以前的燃烧效率,降低固体不完全燃烧损失。结合前述试验结果,因为水平浓缩生物质颗粒燃烧机的火焰温度水平高于普通燃烧器,而且都是采用同样的四角切圆燃烧方式,四角切圆燃烧方式的燃尽区混合较强烈,则不难得出如下结论,即水平浓缩生物质颗粒燃烧机可以提高燃烧效率。

    4.-次风速(率)对着火的影响    一次风速(本试验中即一次风率)变化时煤粉气流的着火及温度水平都相应的变化,如图6所示。图6中更令人满意的情况是Wi=25m/s的情况,Wi=30 mls的情况略次之,而Wi=20 m/s的则比前二种情况差的多。对348于试验用煤,传统的设计经验与本次试验的结果是一致的,因此可见,普通燃烧器的设计经验仍适于水平浓缩生物质颗粒燃烧机,从而大大地方便了水平浓缩生物质颗粒燃烧机的研制。

    四、结论水平浓缩生物质颗粒燃烧机可缩短煤粉气流的着火时间,提高燃烧区域温度,提高煤粉的燃尽率,水平浓缩生物质颗粒燃烧机结构简单,可很好地适应普通直流燃烧器的设计经验和习惯。

    作者们的预测计算表明,根据这个原理,得到的NOx量可能达到20ppm的结论。

    低NOx生物质颗粒燃烧机的效果

    这种低NOx生物质颗粒燃烧机的效果可以用本公司长崎研究所的二台燃烧试验炉来证实。在2吨/时燃烧试验炉上试验容量是4×106大卡/时的生物质颗粒燃烧机的效果,在8吨/时燃烧试验炉上试验容量是2.8×107犬卡/时生物质颗粒燃烧机的效果。

    表1列出了两台燃烧试验炉的主要设

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┃                        ┃二层钢板卷成的卧式水冷炉。          ┃                                ┃

┃燃烧试验炉              ┃  尺寸:内径2.26米,长7.5米,炉膛前 ┃二层钢板卷成的卧式水冷炉。      ┃

┃                        ┃                                    ┃  尺寸:内径4.4米,长15米       ┃

┃                        ┃    部3.5米处内镶耐火材料           ┃                                ┃

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┃                        ┃容量:400米3/分,800毫米水柱       ┃容量:1500米3/分.800毫米水柱  ┃

┃送风机                  ┃电动机:100砝                       ┃电动机:260砝                   ┃

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┃                        ┃容量:200米3/分.100毫米水柱.     ┃无                              ┃

┃引风机                  ┃    300℃                           ┃                                ┃

┃                        ┃电动机:22配                        ┃                                ┃

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┃                        ┃容量:200米3/分.450毫米水柱.     ┃                                ┃

┃再循环风机              ┃    500℃                           ┃共用                            ┃

┃                        ┃电动机:100醯                       ┃                                ┃

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┃                        ┃形式:管式                          ┃形式:混合直接加热式            ┃

┃空气预热器              ┃容量:200米3/分.350℃             ┃容量:650米3/分,300℃         ┃

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┃液  ┃蒸发器            ┃形式:蒸汽加热式                    ┃                                ┃

┃态  ┃                  ┃容量:丙烷3000公斤/时              ┃                                ┃

┃    ┣━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫

┃可  ┃                  ┃                                    ┃                                ┃

┃燃  ┃液态可燃气体贮箱  ┃形式:卧式圆筒形                    ┃                                ┃

┃气  ┃                  ┃容量:24000升                       ┃                                ┃

┃体  ┃                  ┃                                    ┃                                ┃

┃    ┣━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━━━━┫

┃设  ┃液压泵            ┃形式:离心式                        ┃                                ┃

┃备  ┃                  ┃容量:3000公斤/时.3.7豇           ┃                                ┃

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表2  测量装置的主要项目

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┃    测量项  目    ┃    测  量  仪  器        ┃    测  点  位  置  ┃

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┃  燃料流量        ┃    鲁茨式流量计          ┃    燃料输送管      ┃

┃                  ┃    浮子式流量计          ┃    生物质颗粒燃烧机人口      ┃

┃  燃烧用空气量    ┃    孔板                  ┃    空气导管        ┃

┃  再循环烟气流量  ┃    孔板                  ┃    再循环烟气导管  ┃

┃  风箱空气温度    ┃    热电偶                ┃    风箱人口        ┃

┃  NO              ┃    化学发光式分析计      ┃    炉底            ┃

┃  02              ┃    锆电磁式分析计        ┃    炉底            ┃

┃  co.c03         ┃    非分散式红外线分析计  ┃    炉底            ┃

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    图4表明这种低NOx生物质颗粒燃烧机所产生的NOx量和混入的再循环烟气的比率(GM率)的关系。燃烧是在过量02=1.5~2.0%的条件下进行的。而产生的NOrr量是折算过量02=5%的排烟中的数值。燃烧丙烷时,即使用预热到3000C左右的空气来助燃,而GM率在大于20%的条件下,其所产生的NOx量只有20ppm。燃烧甲烷时,GM率在i0%左右的条件下,NOx量仅为20ppm。

    容量大的(2.7×107大卡/时)生物质颗粒燃烧机所产生的NOx量比容量小的(4×105大卡/时)

生物质颗粒燃烧机要低一些。可是,这里是基于燃烧试验炉的条件下,对大容量生物质颗粒燃烧机再作进一步努力,以降低NOx。为了便于比较,把装在2吨/时炉上的容量为5.9×l06大卡/时的旧式生物质颗粒燃烧机所产生的NOx量和GM率的关系表示在同一张图上。而即使以此来看,这个低NOx生物质颗粒燃烧机的效果也是很明显的。

    用改进燃烧方法来抑制NOx生成的特殊燃烧技术中有烟气再循环法、二次燃烧法。在应用这些方法之前的基本课题是必须使由燃烧室和生物质颗粒燃烧机组成的燃烧炉本身成为低NOx燃烧炉。由于作为燃烧炉的关键的生物质颗粒燃烧机的形式和结构对生成NOx具有最大的影响,如果能够不采用特别的方洼来抑制NOx的生成,那末可以说是更为理想的。

    基于上述考虑,从生物质颗粒燃烧机着手,设计了为抑制NOx生成的各种新的燃烧法。对这些方法所进行的各种基础试验以及根据在大型试验炉系统的试验都证实了抑制NOx生成的办法是可行的。

    本文叙述试验炉上的研究结果,同时也涉及到在实际运行锅炉上所得的结果。

低NOx燃烧器与常规直流生物质燃烧机的NOx生成特性的研究

摘要:对350 MW电站锅炉采用低NO。燃烧器和常规直流生物质燃烧机的NO。生成特性进行了实验研究和数值模拟,结果表明:①最高温度、平均温度和中心温度等与炉膛高度的关系保持不变,即径向空气流分级不影响炉膛的燃烧特性;②采用低NO。燃烧器时,其炉膛中心的氧气浓度比采用常规直流生物质燃烧机时要小;③炉膛截面平均NO。浓度和中心NO。浓度随炉膛高度的关系基本相似,但NO。最大浓度随炉膛高度的分布规律不同,采用低NO。燃烧器时NO。最大浓度明显与一、二次凤布置有关,采用常规直流燃烧器的NO。最大浓度在燃烧器区域随高度分布呈现双峰形;④它们对应的平均NO。浓度最大值截面和平殉温度最大值的截面的高度分别相同,但平均NO。浓度最大值截面比平均温度最大值的截面要低;采用低NO。燃烧器时,截面NO。浓度最大值区域比常规直流燃烧器有大幅度的减小;⑤低NO。燃烧器可比常规直流燃烧器降低NO。

    低NO,燃烧技术是通过燃烧要素的重新调整达到降低NO。排放的技术,它又可以进一步分为窒气分级和燃料分级技术。空气分级是以传统燃烧器为基准,通过推迟空气与燃料混合降低NO,排放的方法,如炉膛整体空气分级(OFA)、同轴燃烧技术(CFS、TFS2000)、浓淡燃烧技术(旋风分离式、WR、PM和水平浓淡燃烧器)和低氧燃烧技术等,空气分级可降低NO。排放25%~35%。燃料分级的特征是组织部分燃料(10%~20%)在主燃烧器的下游燃烧以降低NO。排放的方法如细煤粉再燃、燃气再燃和生物质再燃等,燃料分级可降低NO。排放50%~60%。烟气NO,净化技术是运用非燃烧方法把已经生成的NO。还原为N2,从而降低NO。的排放量,烟气净化技术又可以进一步分为选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。SCR技术能大幅度地降低NO。排放量(可达200 mg Nm3以下),但SCR法的配套设备价格昂贵,占电站投资的20%左右,而且其运行费用也很高。SCR技术的脱硝率为50%~90%。SNCR法设备简单,运行费用较低,但该技术的工作温度低于900℃时,NH3的还原反应不完全,会造成所谓的“氨穿透”,而工作温度高于1100 0C时NH3氧化为NO的量增加,导致NO,排放浓度增大。所以,SNCR注的工作温度要严格控制在950~1050 0C~ -狭窄的温度范围内。SNCR法的脱硝率为20%~50%,SNCR投资为SCR的1/6~1向。

    空气分级技术在我国的电站锅炉上得到了广泛应用,但燃烧技术的复杂性、电站锅炉与试验模型的不相似性以及数值模拟的只可定性不可定量分析等使得空气分级技术改造工作有时会出现在相同的炉型,相同的燃烧器结构、相同的运行参数和相同的煤种等条件下。技术提升后的2台锅炉其氧化氮排放值却相差很大的情况。这说明虽然人们对NO。生成与破坏的许多基本机理达成共识,但对电站锅炉炉膛内NO。反应特性的认识还有待进一步的深入。本文采用水平浓淡型低NO,燃烧器和常规直流煤粉燃烧器对350 MW四角切圆电站锅炉的NO。反应特性进行研究。

1 350 MW电站锅炉简介

    本研究以某电厂350 MW四角切圆燃煤锅炉为对象,炉膛结构如图1所示,其宽度、深度和高度分别为14. 62 m、12. 43 m和55. 80 m。燃烧器区域的实际高度为14. 476 m,折烟角的倾角为50。,仰角为300,深度为2.735 mo -次风喷嘴截面尺寸为0. 35mX 0.46 m,周界风宽度为0.065 m,二次风喷嘴截面尺寸为0. 58 mX0.72 m,-、二次风中心距为0. 734 m,生物质燃烧机分5段布置,一次风喷嘴从下往上编号分别为G、H、I、J、K,相邻一次风的上、下2个二次风喷嘴合并,生物质燃烧机组如图2所示。其中(a)表示水平浓淡型低NO。燃烧器喷嘴;(b)表示常规直流生物质燃烧机喷嘴,锅炉炉膛火焰高度为24. 07 m,计算煤种为大同烟煤,燃料特性如表1所示。

2数值模拟方法

2.1计算模型选择

    紊流采用旋流修正k-e模型,煤粉流动采用颗粒轨道模型,挥发分析出采用双平行竞争反应模型,均相燃烧按快速反应模型,焦碳燃烧按扩散动力模型,辐射换热采用离散坐标模型,NO。湍流反应生成率哭用有限反应率的PDF模型。氧化氮计算过程。

2.2计算方法

    数值模拟首先计算等温气相流场,单相流场收敛后,用颗粒轨道模型耦合煤粉颗粒相,同时进行煤粉燃烧过程计算,当煤粉燃烧过程收敛以后,冻结温度场和氧气浓度场,采用组分输运方程对NO。生成和排放特性进行计算,直至收敛。

    炉膛进口边界条件如表2所示,出口条件采用自由出口,即所有变量在流动方向上的梯度为零,壁面采用无滑移边界条件,即认为垂直于壁面的速度梯度为零,锅炉过量空气系数取1.2。

3  试验结果及分析

    粉燃烧器的炉肉温度分布基本相同,即这2种燃烧图3、图4和图5分别示出了炉膛截面最高温  器的燃烧特性相同,燃烧器区域炉膛截面最大温度度、平均温度和中心温度随炉膛高度的变化关系。    与平均温度相差350~700℃,在折烟角下炉膛截面最大温度与平均温度相差100~400℃炉膛截面中心温度分布与模型试验结果吻合较好。这是因为燃烧煤粒比烟气温度高200℃多,使得燃烧器区域温度分布的不均匀性较大,越靠近炉膛出口,其截面温度分布越均匀。

    图6、图7分别表示炉内截面平均氧气质量分数、截面中心氧气赝量分数随高度的变化关系。由图可知:采用低NO。燃烧器时,其炉膛中心的氧气质量分数明显低于常规直流生物质燃烧机的氧气质量分数,在燃烧器区域,对应这2种燃烧器的截面平均氧气质量分数有差别。这是因为低NO、燃烧器组织径向空气分级的缘故,说明低NO。燃烧器较常规直流生物质燃烧机能有效的防止炉壁结渣。

    图8、图9和图10分别是炉内截面最大NOx浓度、平均NO。浓度和中心NO。浓度随炉膛高度的变化关系。可以看出,低NO。燃烧器较常规直流煤粉燃烧器能明显降低NO。排放,这2种燃烧器的截面平均NO,浓度和炉膛中心NO,浓度随高度的变化相似,但截面最大NO。浓度的分布规律在燃烧器区域不同,低NO。燃烧器的截面最大NO。浓度在燃烧器区域随一、二次风布置不同,具有明显震荡,而常规直流生物质燃烧机的截面最大NO。浓度在燃烧器区域随高度分布为不规则的双峰形。这是因为低NO。燃烧器使燃烧要素氧气和燃料分布在燃烧器区域内发生了有利于减小NO。生成的变化,截面最大NO;浓度的不规则双峰分布说明烟煤的相邻各段煤粉燃烧喷嘴具有一定的燃料分级特性。

    图11表示K层一次风截面的NO。浓度分布。可以看出:截面NO。的最大值区域位于旋转火焰与两相邻射流的交汇处,低NO。燃烧器对应截面NO。

    图12表示炉膛纵截面上的NO。浓度分布。可以看出:炉内最大NO;浓度区城位于燃烧器区域,在燃烧器区域内,NO。浓度分布随炉膛高度增加而增大,烟气离开燃烧器区域以后,其NO。浓度变化较小,且趋于均匀。

    图13示出了350 MW电站锅炉分别采用低NO,燃烧器和常规直流生物质燃烧机的NO。排放试验值和计算结果的对比(6%Oz)。可以看出:大型电站锅炉煤粉燃烧过程N0。反应的数值模拟与试验结果(a)常规直流生物质燃烧机

在趋势上吻合较好,但是仍然存在着一定的误差,低NO。燃烧器锅炉NOx排放浓度的试验值与计算值的偏差为5.1%,常规直流生物质燃烧机锅炉NO,排放浓度的试验值与计算值的偏差为  20. 4%。造成试验与计算值误差的原因很多,如燃烧模型和NO。

    图14为NO。的截面平均生成速率随高度的变化关系。由图可知,NO。的生成速率在燃烧器区域最大,说明电站锅炉的NO。排放主要是在燃烧器区域生成的,低NO。燃烧器的NO。生成速率比常规直流生物质燃烧机的NO。生成速率大1.5倍,所以,低NO。燃烧器能有效降低NO,的排放浓度。

4结论

    (1)电站锅炉采用低NO。燃烧器或常规直流燃烧器日寸,炉膛截面最商温度、平均温度和中心温度随炉膛高度的关系基本相同,即径向空气流分级不影响炉膛的燃烧特性;

    (2)电站锅炉采用低NO,燃烧器时,其炉膛中心的氧气浓度比采用常规直流生物质燃烧机时要小,导致2种燃烧器在燃烧器区域的截面氧气平均浓度有差别;

    (3)电站锅炉采用低NO。燃烧器或常规直流煤粉燃烧器时,炉膛截面平均NO。浓度和中心NO。浓度随炉膛高度的关系基本相似,但这2种燃烧器对应的炉膛截面NOx浓度最大值随炉膛高度的分布规律明显不同,采用低NO。燃烧器的NO。最大浓度在燃烧器区域随一、二次风布置不同,有明显震荡,采用常规直流生物质燃烧机的NO。最大浓度在燃烧器区域随高度分布呈现双峰形;

    (4)电站锅炉采用低NO。燃烧器或常规直流燃烧器日寸,它们对应的平均NO。浓度最大值截面和平均温度最大值的截面的高度分别相同,平均NO。浓度最大值截面比平均温度最大值的截面要低;

    (5)电站锅炉采用低NO,燃烧器时,截面NO。浓度最大值区域比采用常规直流燃烧器的有大幅度的减小,低NOx燃烧器比常规直流燃烧器可降低NO,排放28.6%,低NOx燃烧器锅炉NO。排放浓度的试验值与计算值的偏差为5.1%,常规直流煤粉燃烧器锅炉NO,排放浓度的试验值与计算值的偏差为20.4%。


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点击次数:  更新时间:2018-10-03 20:18:48  【打印此页】  【关闭