磚瓦工業(yè)碳達(dá)峰碳減排實(shí)施建議
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摘要：碳達(dá)峰、碳減排和碳中和是一場(chǎng)廣泛而深刻的經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)變革，將其納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局是國(guó)家戰(zhàn)略。如何實(shí)施磚瓦工業(yè)碳達(dá)峰和碳減排，最終達(dá)到碳中和。為此從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、工藝裝備優(yōu)化、能源充分利用等方面對(duì)實(shí)施碳減排提出幾點(diǎn)建議，供行業(yè)同仁一起分析探討。
關(guān)鍵詞：磚瓦；碳達(dá)峰；碳減排
主席早在2015年12月1日“氣候變化巴黎大會(huì)”上講道：“中國(guó)把應(yīng)對(duì)氣候變化融入國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃，堅(jiān)持減緩和適應(yīng)氣候變化并重，通過(guò)法律、行政、技術(shù)、市場(chǎng)等多種手段，全力推進(jìn)各項(xiàng)工作。……通過(guò)科技創(chuàng)新和體制機(jī)制創(chuàng)新，實(shí)施優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建低碳能源體系……”。并對(duì)世界發(fā)出莊嚴(yán)承諾：提出2030年使二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。中國(guó)磚瓦工業(yè)協(xié)會(huì)在宜賓會(huì)長(zhǎng)會(huì)上了“磚瓦行業(yè)碳達(dá)峰行動(dòng)方案”，中國(guó)磚瓦協(xié)會(huì)提出2025年行業(yè)碳達(dá)峰，2030年至2035年基本穩(wěn)定小幅波動(dòng)下降，并提出了行業(yè)碳減排實(shí)施路徑、保障措施與政策建議，給行業(yè)碳達(dá)峰、碳?jí)A排和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)指明了方向。筆者從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整、工藝裝備優(yōu)化、能源充分利用等方面對(duì)實(shí)施碳減排提出幾點(diǎn)建議，愿與大家一起分析討論，共同努力，早日實(shí)現(xiàn)磚瓦行業(yè)碳達(dá)峰。
1磚瓦行業(yè)碳排放的概況簡(jiǎn)述
根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)磚瓦企業(yè)由20世紀(jì)90年代的12萬(wàn)家下降到現(xiàn)存的3.5萬(wàn)家，但年生產(chǎn)燒結(jié)制品仍在8100多億塊，占世界總產(chǎn)量60%以上，無(wú)類(lèi)企業(yè)數(shù)量和產(chǎn)量規(guī)模繼續(xù)穩(wěn)居世界第一。按照現(xiàn)有規(guī)模以上3052家企業(yè)計(jì)算預(yù)測(cè)[1]，黏土實(shí)心磚產(chǎn)量2000億塊左右，空心制品2800多億塊(折標(biāo)磚)，其他為各種利廢產(chǎn)品。從能源消耗講，磚瓦行業(yè)基本以?xún)?nèi)燃或超內(nèi)燃燒結(jié)為主，而熱源主要是煤矸石等。利用固體廢渣，特別是煤矸石做內(nèi)燃燒磚占主導(dǎo)位置，比例大約在80%以上。近幾年，一些廠(chǎng)家采用以?xún)?nèi)燃為主，補(bǔ)充天然氣來(lái)完成產(chǎn)品燒成，這種能源結(jié)構(gòu)形式對(duì)碳達(dá)峰和清潔能源及減少磚瓦大氣污染物排放起到積極的作用，其主要特點(diǎn)：一是有利于提高產(chǎn)品燒成合格率。內(nèi)燃燒磚，熱量不足時(shí)需要通過(guò)隧道窯上方投煤孔投煤，防止燒成溫度上不去而出現(xiàn)生磚；熱量過(guò)剩時(shí)燒成溫度過(guò)高，磚嚴(yán)重變形(見(jiàn)圖1)，形成大量廢品，嚴(yán)重影響產(chǎn)品合格率。二是完全不用外投煤。以?xún)?nèi)燃為主，摻入固廢原料所含熱量為燒成產(chǎn)品需要熱量的80%以上，不足部分由天然氣通過(guò)噴嘴自動(dòng)噴射補(bǔ)充，不需要外投煤，窯面更清潔，環(huán)境更環(huán)保。三是有利于實(shí)現(xiàn)焙燒窯自動(dòng)化智能控制。完全內(nèi)燃燒磚，由于摻配不準(zhǔn)確，或內(nèi)燃料熱量不穩(wěn)定，燒成溫度忽高忽低，難以有效控制燒成溫度曲線(xiàn)。如果采取內(nèi)燃為主而補(bǔ)充天然氣燒成，可以設(shè)計(jì)好燒成溫度曲線(xiàn)和燒成溫度范圍，由溫度傳感器采集各種數(shù)據(jù)，并對(duì)干燥焙燒窯各測(cè)點(diǎn)溫度、濕度和壓力通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算處理。當(dāng)隧道窯溫度達(dá)不到時(shí)，可以自動(dòng)啟動(dòng)天然氣噴射系統(tǒng)，燒成溫度按設(shè)定要求，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)控制。四是有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)化包裝。內(nèi)燃燒磚，經(jīng)常出現(xiàn)窯車(chē)成品磚垛上、下磚塊疊壓部位粘連，給成品磚自動(dòng)打包帶來(lái)困難，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法打包。雖然機(jī)械廠(chǎng)家采取了各種形式有所改善，但會(huì)增加磚產(chǎn)品包裝過(guò)程操作程序，而且會(huì)增加自動(dòng)打包機(jī)成本。如果采取內(nèi)燃為主而補(bǔ)充天然氣燒成，磚垛上的磚上下疊壓不粘連，自動(dòng)打包機(jī)不但工序簡(jiǎn)單、故障少，而且設(shè)備造價(jià)低，易實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化操作。五是有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高產(chǎn)品附加值和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。內(nèi)燃燒磚，特別是采用一次碼燒超內(nèi)燃燒磚，磚產(chǎn)品表面形成條面“壓花”，在缺氧還原狀態(tài)下磚內(nèi)形成“黑心”。這樣的產(chǎn)品不但外觀質(zhì)量不理想，而且黑心會(huì)影響產(chǎn)品的抗凍性能。如果內(nèi)燃為主而補(bǔ)充天然氣燒成的產(chǎn)品，窯爐燒成制度控制得好，條面“壓花”和“黑心”就會(huì)消除和減輕，用于清水裝飾墻體的砌筑，產(chǎn)品附加值大為提升，企業(yè)效益明顯改善。按照中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)的《建筑材料工業(yè)二氧化碳排放核算方法》，易燃的可再生能源和廢棄物包括固態(tài)和液態(tài)的生物遺體、沼氣、工業(yè)垃圾(含用于燃料的煤矸石)和城市垃圾，易燃的可再生能源和廢棄物碳排放視為零[2]的規(guī)定，2020年墻體材料行業(yè)二氧化碳排放1322萬(wàn)t，同比上升2.5%，其中煤燃燒排放同比上升2.4%。此外，電力消耗可間接折算約為612萬(wàn)t二氧化碳當(dāng)量。墻體材料行業(yè)曾經(jīng)是建材工業(yè)中僅次于水泥的第二耗能行業(yè)和碳排放源。2015年后墻體材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整加快，企業(yè)數(shù)量大幅減少，產(chǎn)量大幅下降，節(jié)能技術(shù)革新加快，內(nèi)燃燒磚產(chǎn)量不斷增加，免燒磚不斷發(fā)展，因而煤耗、電耗大幅降低，使該行業(yè)二氧化碳排放量從最高峰的15000t減少到目前的1322萬(wàn)t[3]。加上電耗折算成二氧化碳排放量為612萬(wàn)t當(dāng)量，總計(jì)1934萬(wàn)t。雖然墻體材料行業(yè)碳排放取得了令人驕傲的成果，但要進(jìn)一步達(dá)到碳達(dá)峰、碳減排、碳中和還需要繼續(xù)付出更艱苦的努力。
2磚瓦行業(yè)碳達(dá)峰碳減排的主要技術(shù)途徑
2.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳減排的目標(biāo)，首先要抓好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整主要應(yīng)抓好三方面。其一，限制和減少實(shí)心磚的生產(chǎn)。同體積墻體燒結(jié)制品，實(shí)心磚體積密度大，不僅原料消耗大，而且所需的熱量也大得多。30%的多孔燒結(jié)磚與實(shí)心磚比，能耗降低1/4以上，而且窯爐產(chǎn)量也有較大的提高。我國(guó)目前有2000億塊以上的實(shí)心磚，如果有1000億塊實(shí)心磚調(diào)整為承重多孔磚，每萬(wàn)塊制品能耗從840萬(wàn)kcal下降到630萬(wàn)kcal，年節(jié)約熱量21萬(wàn)億kcal，折標(biāo)煤300萬(wàn)t。按照建筑材料工業(yè)二氧化碳排放計(jì)算方法，主要指燃料燃燒過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程二氧化碳排放量，實(shí)現(xiàn)實(shí)心磚轉(zhuǎn)化為多孔磚，實(shí)際減少的熱值和減少的碳排放相當(dāng)可觀，不再詳細(xì)計(jì)算。其二，擴(kuò)大非承重空心制品，特別是高孔洞率的輕質(zhì)空心磚和保溫砌塊的生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)空心磚或砌塊孔洞率平均在40%左右，而歐洲一些國(guó)家早已達(dá)到50%～65%(見(jiàn)圖2)。如果孔洞率從40%增加到50%以上，熱能耗也能減少10%以上。據(jù)資料介紹[4]，在1960年瑞士燒結(jié)空心磚占磚總產(chǎn)量的97%，聯(lián)邦德國(guó)占80%以上，意大利占90%，芬蘭幾乎100%。西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院(原西安磚瓦研究所)在1965年就建成了3000多㎡的磚混辦公樓，墻體砌筑均為240mm×115mm×115mm多孔承重清水墻磚。實(shí)心磚向多品種、多孔、大塊和薄壁空心方向發(fā)展，已成為行業(yè)的共識(shí)，也是碳達(dá)峰的需要。其三，鼓勵(lì)生產(chǎn)低密度的保溫磚或砌塊，提高制品熱工性能。在同等體積和同樣原材料的情況下，一般來(lái)說(shuō)密度越小，導(dǎo)熱系數(shù)越低。為了減輕制品自重，除提高孔洞率外，也可通過(guò)造粒等生產(chǎn)低密度保溫磚或保溫砌塊。歐洲有的制磚生產(chǎn)線(xiàn)加廢塑料球或粉碎后的秸稈等，燒后形成孔內(nèi)孔，既減輕了產(chǎn)品密度又提高了制品熱工性能(見(jiàn)圖3)。其四，重視制品的熱工設(shè)計(jì)。根據(jù)原法國(guó)磚瓦技術(shù)中心的研究[5]，有四個(gè)設(shè)計(jì)因素可以改善空心磚或空心砌塊的保溫性能。一是增加孔洞的行列，一排寬大于20mm的孔熱阻為0.14m2•K/W，如增加至6排孔洞，增加熱阻值約為0.14×6＝0.84m2•K/W；二是降低磚孔壁的厚度，孔壁越薄越好，大部分熱量是經(jīng)過(guò)孔壁傳導(dǎo)的；三是減少水平連接孔的條數(shù)，使孔洞盡可能加長(zhǎng)，如果每行孔洞中減少一個(gè)6mm厚的水平連接孔壁，其熱阻值可增加0.05m2•K/W；四是加長(zhǎng)熱傳導(dǎo)路線(xiàn)，把水平孔交錯(cuò)排列，這樣可以增加熱阻值10%～20%(見(jiàn)圖4)。通過(guò)上述途經(jīng)，可以達(dá)到年減少熱耗600萬(wàn)t以上，減少二氧化碳排放1560萬(wàn)t。
2.2工藝裝備
燒結(jié)磚瓦工藝裝備電耗折算成燃料化石能源，每年二氧化碳排放量約為612萬(wàn)t當(dāng)量，約占總量的31.64%，工藝裝備碳減排碳達(dá)峰也顯得尤為重要。從設(shè)備角度講，首先要重視動(dòng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如70/60雙級(jí)硬塑真空擠出機(jī)，雙鴨山引進(jìn)線(xiàn)為250＋90＝340(kW)，而許多制造廠(chǎng)動(dòng)力配制為315＋132＝447(kW)。也可能要提高產(chǎn)量增加轉(zhuǎn)速，但是否需要增加31.47%動(dòng)力值得商榷。眾所周知，原料塑性與擠出成型時(shí)擠出機(jī)壓力有關(guān)，低塑性原料顆粒之間結(jié)合能力差，擠出壓力就要高一些，配用動(dòng)力自然也要大一些。相反的高塑性原料顆粒之間結(jié)合能力強(qiáng)，擠出壓力就要低一些，配用動(dòng)力也自然也要小一些。問(wèn)題是許多企業(yè)追求高真空、高壓力，不問(wèn)原料和成型水分，造成動(dòng)力配置過(guò)高，而實(shí)際使用空載大，利用系數(shù)低，既浪費(fèi)動(dòng)力消耗，又影響企業(yè)生產(chǎn)成本和實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)介紹，歐洲的荷蘭利用含砂量40%左右的河道、湖泊淤泥，并在含水率30%情況下，采用特有的脫模技術(shù)生產(chǎn)各種道路磚、裝飾磚和透水磚，室式干燥隧道窯焙燒[6]，動(dòng)力消耗會(huì)更低。
2.3熱工設(shè)備
熱工設(shè)備主要指干燥和焙燒窯，是實(shí)現(xiàn)碳減排和碳達(dá)峰的關(guān)鍵所在。干燥和焙燒窯爐設(shè)計(jì)施工應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：首先干燥和焙燒窯的保溫密封，選用隔熱保溫性能好的材料，力保窯墻、窯頂和窯車(chē)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，再就是窯車(chē)與窯兩側(cè)墻的密封，盡可能在進(jìn)出兩端設(shè)雙道門(mén)，防止熱量外露或窯外冷空氣進(jìn)入，影響大氣污染物排放氧含量及碳排放；其次是風(fēng)機(jī)的合理選擇也十分重要，個(gè)別不專(zhuān)業(yè)的窯爐公司，為了提高火行速度，不經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，盲目加大風(fēng)機(jī)型號(hào)，造成風(fēng)量、風(fēng)壓過(guò)大，勢(shì)必消耗不必要的動(dòng)力。在送風(fēng)和排風(fēng)管道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能減少?gòu)澋?，杜絕阻力系數(shù)過(guò)大的管道傳送形式，從而達(dá)到風(fēng)量和風(fēng)壓的順暢輸送。也就是說(shuō)風(fēng)量和風(fēng)壓通過(guò)輸送降低很少，窯爐產(chǎn)量也不受影響。
2.4能源結(jié)構(gòu)
內(nèi)燃燒磚是我國(guó)的一大特點(diǎn)，但內(nèi)燃過(guò)大，會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的下降，增加成品磚全自動(dòng)打包的難度和設(shè)備造價(jià)。如果內(nèi)燃過(guò)低，又得外投煤來(lái)補(bǔ)充。近幾年，西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院等單位采用內(nèi)燃加外噴潔凈能源方案，以?xún)?nèi)燃為主，外噴天然氣很少。盡管購(gòu)置煤和天然氣價(jià)格相差甚大，雖然影響成本，為了環(huán)保和碳減排，企業(yè)在可接受范圍內(nèi)。近幾年發(fā)達(dá)國(guó)家也非常重視生物質(zhì)原料的利用，如法國(guó)賽力克公司運(yùn)用生物質(zhì)燃料方面推出許多新技術(shù)，把木屑、秸稈、稻殼等生物質(zhì)加工處理后，用噴射裝置送到隧道室內(nèi)直接燃燒，燒成的產(chǎn)品與天然氣燒成的產(chǎn)品質(zhì)量完全相同，非常值得我們學(xué)習(xí)借鑒[5]。生物質(zhì)燃料固定碳含量小于煤炭，燃燒形成的二氧化碳少[7]，同時(shí)熱值相對(duì)較低。傳統(tǒng)的磚瓦面臨資源和環(huán)境問(wèn)題，提出以廢棄資源如木屑、秸稈等生物質(zhì)燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的煤炭燃料，以河道淤泥代替黏土原料燒制河道淤泥多孔磚，為傳統(tǒng)磚瓦實(shí)現(xiàn)資源綜合利用，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)提供了一種可選方案。
2.5工藝配電
工藝設(shè)計(jì)的原則是在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，力爭(zhēng)工藝流程順暢簡(jiǎn)單。在工藝設(shè)備優(yōu)化選型方面，遵循配套合理，防止出現(xiàn)大馬拉小車(chē)或前后設(shè)備不配套，盡可能選擇節(jié)能環(huán)保設(shè)備。北方寒冷地區(qū)，工藝設(shè)備布置力求緊湊，在保證安全通道的情況下減少?gòu)S房采暖面積。對(duì)于僅生產(chǎn)用于承重墻體砌筑的實(shí)心磚產(chǎn)品，特別是黏土實(shí)心磚，原料處理設(shè)備應(yīng)簡(jiǎn)潔，擠出機(jī)設(shè)備不宜追求高壓力和高真空，從而達(dá)到降低動(dòng)力和電耗的目的。配電設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)功率在55kW以上采用變頻啟動(dòng)，變壓器選用節(jié)能型變壓器，其低壓中性線(xiàn)電流不超過(guò)低壓繞組額定電流的25%。設(shè)備自動(dòng)起動(dòng)控制盡量采用節(jié)能設(shè)備和耗電少的電器元件。無(wú)功補(bǔ)償由變電所集中自動(dòng)補(bǔ)償，補(bǔ)償后的功率因數(shù)不小于0.92。在電氣設(shè)計(jì)中遵循《節(jié)約能源管理暫行條例》電力工業(yè)實(shí)施細(xì)則的有關(guān)規(guī)定。成型車(chē)間采用可編程序控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)起動(dòng)、聯(lián)鎖、聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切條、自動(dòng)切坯、自動(dòng)碼坯等工序。減少設(shè)備空載運(yùn)行，提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率。
2.6技術(shù)創(chuàng)新
技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)碳達(dá)峰、碳減排，最終實(shí)現(xiàn)碳中和，對(duì)于行業(yè)來(lái)說(shuō)十分重要，沒(méi)有技術(shù)上的突破，就不可能實(shí)現(xiàn)碳排放的目標(biāo)。當(dāng)前行業(yè)比較成熱的技術(shù)應(yīng)加快推廣步伐。例如煤矸石燒磚，產(chǎn)品本身燒成僅需260kcal/kg～300kcal/kg，但就煤矸石原料而言，發(fā)熱量一般較高，多余熱量大部分排空。雙鴨山煤矸石引進(jìn)線(xiàn)將多余熱量用于辦公樓、車(chē)間、家屬樓采暖和浴室供熱水，也可用于原料的加熱處理。山西某廠(chǎng)用生產(chǎn)線(xiàn)余熱發(fā)電也收到了良好的效果。如果煤矸石發(fā)熱量較高時(shí)，特別是超過(guò)1000kcal/kg可推廣山西余熱發(fā)電技術(shù)；如果煤矸石發(fā)熱量較低時(shí)，可推廣雙鴨山引進(jìn)線(xiàn)余熱利用的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。近年的煙熱回?zé)毶罴瘓F(tuán)鏈板干燥器的強(qiáng)制熱循環(huán)系統(tǒng)等技術(shù)，對(duì)降低碳排放，降低大氣污染物排放，減少能耗取得了較好的效果，推廣應(yīng)用已完全成熟。
3建議
a.加強(qiáng)碳達(dá)峰、碳減排、碳中和重大意義的宣傳，增強(qiáng)行業(yè)共同應(yīng)對(duì)氣候變化的認(rèn)識(shí)，自覺(jué)投入到碳達(dá)峰、碳減排、碳中和的行動(dòng)中。b.按照《中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì).建筑建筑材料工業(yè)二氧化碳排放核算方法》中的規(guī)定，“易燃的可再生能源和廢棄物包括固態(tài)和液態(tài)的生物遺體、沼氣、工業(yè)垃圾(含用于燃料的煤矸石)和城市垃圾，易燃的可再生能源和廢棄物碳排放視為零”。這對(duì)于磚瓦行業(yè)促進(jìn)煤矸石的利用無(wú)疑會(huì)起到積極的作用，建議將這一規(guī)定上升為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家政策。c.發(fā)展高強(qiáng)度多孔承重空心磚、高孔洞率的非承重空心磚和空心砌塊、具有低密度和低導(dǎo)熱系數(shù)的保溫隔熱制品，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳減排、碳中和的重要手段，建議作為“十四五”墻材燒結(jié)制品的發(fā)展的主要產(chǎn)品。進(jìn)一步加大限制黏土實(shí)心磚的力度，不斷提升燒結(jié)空心磚和空心砌塊的孔洞率，促進(jìn)輕型化裝配式墻板的發(fā)展。d.建議隧道窯燒結(jié)制品推廣以?xún)?nèi)燃為主，噴氣補(bǔ)充為輔的燒成制度，既提高了產(chǎn)品質(zhì)量，利于機(jī)械化包裝，又能達(dá)到碳減排的目的。e.加強(qiáng)節(jié)能設(shè)備的研發(fā)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，加強(qiáng)節(jié)能節(jié)電新技術(shù)的推廣應(yīng)用。高熱量的煤矸石，要重視余熱發(fā)電成套技術(shù)設(shè)備研發(fā)制造，提高熱利用效率。我國(guó)莊嚴(yán)承諾2030年碳達(dá)到峰值，碳達(dá)峰后逐步降低，最終達(dá)到碳中和的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)碳中和，二氧化碳“零排放”，是人類(lèi)的共同期待。磚瓦行業(yè)應(yīng)通過(guò)政策引導(dǎo)和技術(shù)手段提高能源利用率及各類(lèi)節(jié)能減排等途徑，不斷減少產(chǎn)生的二氧化碳排放量，為早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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作者：吳勇 閆開(kāi)放 單位：西安墻體材料研究設(shè)計(jì)院有限公司
