垃圾氣化技術的應用現狀及發展趨勢

梁永煌，魏 濤（中國五環工程有限公司，武漢 430223）

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垃圾氣化技術的應用現狀及發展趨勢

梁永煌，魏 濤
（中國五環工程有限公司，武漢 430223）

摘 要：簡介了垃圾氣化技術及其主要特點，總結了當前兩種主流垃圾氣化技術—熱分選氣化技術和等離子氣化技術的發展及應用情況，分析了我國垃圾氣化技術發展過程中存在的主要問題，展望了垃圾氣化技術的發展趨勢。

關鍵詞：垃圾氣化技術；熱分選氣化；等離子氣化；應用現狀；發展趨勢

1　垃圾氣化技術及其特點

1.1垃圾氣化技術簡介

所謂垃圾氣化技術，是指采用氣化的方法，在高溫狀態下將垃圾氣化熔融和分解，垃圾中的有機物可以轉化為合成氣（主要為CO和H2），而無機物則可以轉化為玻璃體灰渣。

國外對垃圾氣化技術的研究起步較早，早在20世紀80年代初，國外就開始對垃圾氣化進行了大量的研究，主要是針對二英的處理，有些已形成成熟的技術和設備。目前國內外研究和應用較多的垃圾氣化技術主要分為兩類：1）采用氣化熔融焚燒技術，典型代表是瑞士熱分選氣化技術；2）采用等離子氣化技術，典型代表是美國西屋公司的等離子氣化技術。

垃圾氣化技術是近年來發展起來的一種垃圾處理新技術，與一般垃圾焚燒技術不同，采用垃圾氣化技術處理垃圾，幾乎能將垃圾中的有機物完全氣化并轉化成合成氣（主要為CO和H2）并加以利用，而無機物則可變成無害的玻璃體灰渣，可實現垃圾處理過程污染物的“零排放”。垃圾氣化技術具有效率高、安全、無二次污染的特點，為垃圾處理的無害化、減量化和資源化處理開拓了一條新途徑，有望替代傳統的垃圾焚燒技術。

1.1.1熱分選氣化技術

熱分選氣化技術是把生活垃圾、商業垃圾、工業垃圾和其他特殊垃圾通過無間斷的循環過程，高溫氣化有機成分和直接熔化無機成分，從而獲得合成氣體、玻璃狀礦物質、富含金屬和硫的一種垃圾處理技術。該技術在后續處理過程中還會產生純凈水、鹽和鋅副產品。與其他熱處理過程相比，沒有灰、爐渣這些需要大量成本去存放或填埋處理的物質，其灰渣為玻璃體，無毒無害，可進一步綜合利用。

（1）熱分選氣化技術原理

熱分選氣化技術是一種兩步法熔融氣化技術，該技術是將垃圾中的有機成分氣化和無機成分熔融進行結合，完全燃燒氣化垃圾中可燃成分的同時，熔融焚燒后的無機灰渣，并回收灰渣中的有價金屬、熔融渣等有用物質的一種垃圾處理技術。

熱分選氣化技術先將垃圾進行壓縮，再置于400℃～600℃的脫氣通道進行加熱熱解，生成可燃氣體，并隨垃圾一起進入高溫氣化爐進行進一步氣化和熔渣。垃圾在熱分選氣化爐1200℃～2000℃的高溫下進行反應，有機成分在還原性氣氛下被徹底分解成以CO及H2為主的合成氣，無機物則被高溫熔化成熔融狀態，并在后續工藝中被急冷形成玻璃體渣。整個過程將垃圾熱解氣化過程和熔融過程置于兩個相對獨立的設備中進行，再將這兩個設備有機地結合為一個整體，形成了一個完整的垃圾氣化熔融工藝。

（2）熱分選氣化技術流程（見圖1）

圖1 瑞士熱分選氣化技術工藝流程簡圖

如圖1所示，先將垃圾放入密閉、留有液體和空氣的壓力機（氮氣保護），通過高壓將垃圾氣密壓緊形成塞子狀，并通過氣流將其壓入脫氣通道。在脫氣通道中不斷加熱，垃圾被干燥，有機成分氣化揮發，經過至少1小時的反應處理后，垃圾被送入氣化爐高溫反應堆。脫氣產生的碳和含炭化合物在水蒸汽豐富、溫度高達1600℃～2000℃的環境中與氧氣發生部分氧化反應而氣化生成以CO和H2為主的合成氣。合成氣在1200℃以上的溫度中停留時間大于2秒，能有效將生成的二英和呋喃等大分子有機物分解破壞，此后合成氣離開氣化爐，進行噴水和水浴急冷，將合成氣溫度迅速降低到90℃以下，在此過程中，可有效避開二英的生成區間，同時合成氣以CO和H2為主，為還原性氣氛，能遏制和減緩二英的生成，從而保證急冷后的合成氣中幾乎不含二英和呋喃。急冷后的合成氣進一步進入洗滌塔，充分洗滌除去合成氣中攜帶的粉塵和鹵化物。經洗滌除塵后的合成氣用引風機送至下游凈化工序進一步凈化處理后用于發電或生產化工產品。激冷后的水送至水處理裝置進行處理，達標后回用或排放。

此外，垃圾中的無機物在高達1600℃～2000℃的環境中被充分熔融，并在1600℃以上的均質通道中流動和分層，渣中的金屬以單質狀態存在，且由于其密度大，沉在熔融流體的下層，而其他輕質熔渣則浮在上層。熔融態的金屬和渣沿著均質通道流動，在均質通道出口，熔渣經水淬冷形成穩定的金屬和玻璃體渣后流入渣池。此后，撈渣機將金屬和渣從渣池中撈出，并用磁分選設備將渣中的金屬單質分離出來回收，玻璃體渣則可作為建筑材料，進一步綜合利用。

1.1.2等離子氣化技術

等離子體（Plasma）技術最早是由美國科學家Langmuir于1929年在研究低氣壓下汞蒸氣中放電現象時提出的。等離子體技術應用于污染治理的研究開始于20世紀70年代。90年代，美國、加拿大、德國等發達國家將該技術應用于廢物處理并取得了不俗的業績。

等離子氣化技術的原理，簡而言之，即利用等離子體的高溫高能，在氣化劑的輔助作用下，將垃圾廢物進行高溫氣化和熔融，垃圾中的有機物被氣化形成以CO 和H2為主的合成氣，而無機物則被熔融后急冷形成無害的玻璃體渣。

等離子氣化技術主要由進料系統、等離子氣化爐、熔融物處理系統、合成氣處理系統、電極驅動及冷卻密封系統組成。垃圾通過進料系統進入等離子氣化爐，有機物被分解氣化，無機物則被熔化成玻璃體及金屬產物，被收集到處理器中被急冷成固態，金屬可回收，玻璃體渣可進一步綜合利用，合成氣經凈化處理后可用于發電或生產化工產品。圖2為美國西屋等離子氣化中試工廠的流程圖。

圖2 美國西屋等離子氣化中試工廠流程圖

圖2的中試工廠并未對合成氣進行有效利用，而實際示范工廠及商業化工廠流程均在此流程的基礎上進行了改進：出洗滌塔的合成氣用引風機抽出，送至下游凈化工序對合成氣進一步凈化處理，再將凈化后的合成氣送去發電或生產化工產品。

1.2垃圾氣化技術的特點

無論是熱分選氣化技術，還是等離子氣化技術，其最主要的技術特點是利用高溫高能對垃圾進行氣化處理，以達到垃圾處理的無害化和減量化要求。同時，垃圾氣化生成的合成氣可用于發電或生產化工產品，而玻璃體渣無毒無害，可進一步綜合利用，這些技術特點是垃圾焚燒等其他垃圾處理技術所不具備的。垃圾氣化技術應用流程如圖3所示。

圖3 垃圾氣化技術應用流程圖

垃圾氣化技術最主要的優勢在于其優異的環保特性，相比垃圾焚燒處理，垃圾氣化技術在廢氣和廢渣的排放和治理方面具有無可比擬的優勢。

1.2.1廢氣排放和治理

圖4為采用熱分選氣化技術在日本建設的垃圾氣化工廠對排放氣體進行檢測的數據，表1為采用等離子垃圾氣化技術在日本建設的兩個垃圾氣化發電廠的廢氣排放情況。

表1　日本等離子垃圾氣化發電廠的廢氣排放情況

圖4 日本熱分選氣化工廠檢測數據

圖5 二英生成反應式

圖6 二英生成—溫度曲線圖

從圖4和表1可以看出，無論是采用熱分選氣化技術，還是采用等離子氣化技術，其實際尾氣排放中的SOx、NOx和二英均低于環保排放標準，特別是二英的排放低于最嚴格環保排放標準的1/10，結果表明，垃圾氣化技術具有優異的廢氣排放指標。

此外，垃圾氣化技術由于生成的是還原性合成氣，它的碳排放量也明顯低于焚燒處理方式。

1.2.2固廢排放和治理

垃圾氣化技術的另一主要優勢在于其排放的廢固灰渣為玻璃體，為非重金屬浸出性的灰渣，無毒無害，可進一步綜合利用。

圖7為熱分選氣化工廠廢渣排放組成，從圖中可以看出廢渣中金屬以單質形式存在并被磁分選設備分出，而玻璃渣為非重金屬浸出的灰渣，可進一步綜合利用。

日本的等離子垃圾氣化工廠對其排出的固體灰渣進行了重金屬浸出實驗檢測，結果表明，其能滿足重金屬非浸出性要求，測試結果顯示8種檢測的重金屬（砷、鉻等）浸出數據低于毒性特征溶出程序（TCLP）標準的百分之一，檢測數據見表2。此外，在印度建設的日處理68噸危險廢物的等離子氣化工廠的檢測效果同樣令人滿意。

圖7 熱分選氣化工廠的廢渣組成

表2　日本等離子垃圾氣化發電廠的熔渣重金屬浸出檢測結果　（單位　：mg/L）

2　垃圾氣化技術應用現狀及存在的主要問題

2.1垃圾熱分選氣化技術應用情況

熱分選氣化技術在世界范圍內共有1個實驗工廠和8個運行工廠，目前還有多個項目處于前期研究階段，其應用情況如表3所示。

2.2等離子氣化技術應用情況

等離子氣化技術目前已在美國、日本、英國等少數發達國家建立了一定規模的示范工廠，我國上海也建立了一套日處理30噸的醫療廢物和焚燒飛灰的等離子氣化中試裝置。

2.2.1國外等離子氣化技術應用情況

目前，國外主要有3家企業擁有商業化的等離子垃圾氣化技術：美國西屋等離子公司（WPC，已被加拿大Alter NRG公司收購）、加拿大的普拉斯科（Plasco）能源集團公司和德國Bellwether公司。

（1）美國西屋等離子氣化技術

美國西屋公司在等離子體與等離子氣化領域已有40多年的應用經驗，該公司早在20世紀60年代就開始為航天用途建造等離子炬。之后，等離子炬多年用于銷毀化學武器、印刷電路板和石棉等有毒廢物。20世紀90年代初，該公司在美國設置了一個處理固體廢物并帶有發電的試驗裝置；到20世紀90年代末，該公司又在日本建造了一個中試規模的等離子氣化裝置，主要將生活垃圾、污水污泥、廢舊汽車粉碎后的殘留物等進行處理。

美國西屋等離子氣化技術是目前世界上發展最好的等離子垃圾氣化技術，其示范和中試裝置已在美國和日本成功運行，目前正逐漸在全世界范圍內推廣應用，其業績見表4。

（2）加拿大Plasco等離子氣化技術

加拿大Plasco等離子氣化技術主要是針對北美生活垃圾，研制了基于燃氣輪機發電的等離子氣化工藝。其工藝流程核心是垃圾的兩級熱解，第一級利用廢物自身熱值熱解，第二級利用等離子電弧加熱重整合成氣，同時用等離子體炬玻璃化裂解室的廢渣。2008年底，加拿大決定建造北美地區規模最大的氣化垃圾焚燒發電廠，采用Plasco公司的等離子氣化技術，整個項目投資1.25億美元，處理規模400t/d，每噸城市生活垃圾的處理價格預計低于60美元，發電量可達21MW，可滿足19,000戶當地居民每日所需。此外，Plasco還與中國節能集團合資，擬在北京或四川建設100t/d的等離子垃圾氣化實驗裝置。

（3）德國Bellwether公司等離子氣化技術

德國Bellwether公司等離子氣化技術采用氣化熔融 +等離子重整工藝（IMG），主要包含進料、干燥、氣化和灰渣玻璃化4個步驟，垃圾首先送入氣化爐內干燥，然后在缺氧和高溫環境下使其氣化，熔渣玻璃化，合成氣進入等離子重整爐，通過等離子電弧進行處理，含有焦油、毒質的初級混合燃氣在等離子體的作用下被分解，合成氣得到純化，再經凈化最終生成清潔合成氣，可用于發電或供熱等。垃圾灰渣落入熔爐底部，經玻璃化后，變成無害的建筑材料。該公司在等離子氣化處理的基礎上，進一步研制了“集成式等離子氣化技術”，通過熱電聯產、能量循環再利用方式，使得系統整體效率顯著提升，總能量轉化效率達到80%。

表3　熱分選氣化技術業績表

表4　美國西屋公司等離子氣化技術業績表

Bellwether公司在羅馬尼亞有1個城市生活垃圾等離子氣化技術的示范項目，2008年11月投產，最大處理量12t/h，氣化效率80%～85%，發電量1.4MW，等離子能耗400kW，污染物排放滿足環保排放要求。Bellwether公司目前正在世界各地推廣其等離子垃圾氣化技術，近幾年也在中國尋求合作單位。

除上述3種目前發展較好的等離子氣化技術外，國外還有接近中試規模的以色列環境能源公司的12t/d的試驗設備，實驗室規模的有韓國浦項大學10t/d的實驗設備，技術路線與3種主流等離子氣化技術相近。

2.2.2我國等離子氣化技術概況

我國在等離子體處理垃圾方面的研究起步較晚，但發展很快，也研發出了一些專用的等離子體處理設備。

中科院力學所近20年來進行了多方面的等離子廢物處理的應用基礎研究工作，如等離子反應器內流場特征、有害/可利用元素遷移規律、玻璃體物理化學穩定性等，并在實驗室建成了一條3t/d的等離子體處理模擬醫療垃圾的實驗線（“863”項目），與企業合作建成了2條工業規模（5～10t/d）的等離子體處理危險廢物的生產線。此外，中科院力學所正在建立處理50t/d城市生活垃圾篩上物的示范裝置，其處理工藝流程可概述為預處理、等離子體裂解、尾氣降溫脫酸除塵、發電。中科院力學所已形成了自己的等離子氣化技術，并嘗試建立示范裝置，但要真正實現工業化應用，仍然需要一個過程。

武漢凱迪電力對生物質及其他固體廢物的等離子氣化進行了研究，在武漢建立了一套生物質等離子氣化制乙醇的中試裝置；北京環宇冠川致力于采用等離子氣化技術對各類廢棄物（包括城市生活垃圾、工業、醫療和電子等有害廢棄物、冶煉廢棄物和尾礦，污水污泥等）的安全環保處理和資源化研究，在廣東江門建立了一套處理工業危險廢棄物（主要為油漆廢渣）的等離子氣化示范裝置；武漢華電天和側重于等離子炬的開發，也在處理固體廢物方面做了很多研究和嘗試。

目前，等離子氣化技術在我國主要應用于處理高危廢棄物，取得了一定的成果，可以處理醫用垃圾、廢棄輪胎和電子垃圾等，但現階段研究仍主要限于實驗室和一些小型的中試裝置，離市場化和工業化應用還有一定的距離。

2.3垃圾氣化技術發展中存在的主要問題

2.3.1垃圾收集與分類

目前，國內大部分的垃圾還沒有實現分類收集，一般均為混合收集，含水率高（40%～60%），熱值低（850k～1600k/kg），對于采用垃圾氣化技術進行處理存在難度。

垃圾氣化技術在處理垃圾時對熱值有一定的要求，熱值越高的垃圾越易于處理，熱值太低或垃圾中的無機物組成過高時，垃圾氣化處理時將會產生一定的困難，項目的經濟性也會大受影響。國外垃圾氣化技術的應用經驗表明，通過有效的垃圾收集與分類，提高垃圾熱值，是采用垃圾氣化技術處理垃圾的一項重要保障措施，但我國在這方面做的還遠遠不夠。因此，能否有效進行垃圾收集與分類，提高垃圾熱值，對于垃圾氣化技術的應用和發展將有重要的影響。

2.3.2技術的成熟度和可靠性

垃圾氣化技術不同于其他垃圾處理技術，技術的密集性和復雜性較高。當前廣泛應用的熱分選氣化技術和等離子氣化技術雖已經過了30多年的發展和應用，但從其應用情況來看，熱分選氣化技術最近的一個工業化項目于2006年在日本建成投產后，近9年來沒有新建項目，在日本已投產的項目也是經過了一系列的技術改造和優化后，運行穩定性才逐漸有了保障；美國西屋等離子氣化技術最近的工業應用項目是2013年在我國武漢建成投產日處理100t生物質的氣化工廠和2014年初在我國上海建成投運的日處理30t醫療廢物和飛灰的試驗工廠。據了解，受各方面因素影響，武漢的工廠目前尚不能長周期連續穩定運行，上海的工廠也主要用于處理醫療廢物和飛灰的試驗和積累數據。

垃圾氣化技術和煤氣化技術有一定的相似性，煤氣化技術從最開始的研究開發到目前日趨成熟的廣泛應用經過了近百年的發展過程，而垃圾氣化技術從20世紀80年代起才開始研究開發，迄今為止才經歷了30年的發展。因此，垃圾氣化技術的成熟性和可靠性仍需要經過一個長期的應用、積累和優化過程。

2.3.3項目的經濟性

由于垃圾氣化技術相對于其他垃圾處理技術要復雜，投資明顯較高，同時由于一般垃圾水分含量較高、無機物較多、熱值較低，導致采用垃圾氣化技術建設的項目經濟性一般不好。調查表明，當前的垃圾焚燒發電技術項目一般只能夠達到基本的收支平衡，很少正常盈利，而同等規模的垃圾氣化發電項目，其項目的總投資是垃圾焚燒發電項目的1.5～2.5倍，雖然垃圾氣化技術能量利用效率較高，但操作成本也相應較高，導致項目的經濟性比一般垃圾焚燒發電項目差。從兩種主流垃圾氣化技術的應用和發展較緩慢的現實情況來看，經濟性差應是重要影響因素之一。

因此，垃圾氣化技術項目的經濟性問題成為了當前制約垃圾氣化技術推廣和應用的主要因素。

2.3.4財政優惠政策

隨著人們對環保的日益重視，我國出臺了很多涉及垃圾處理領域的政策、法規和標準，著力改善人們的生產和生活環境，但在政策支持力度上仍存在著明顯的不足，且目前尚缺少針對垃圾氣化方面的政策、法規和標準。

以和垃圾氣化最為相近的垃圾處理方式——垃圾焚燒發電為例，目前我國垃圾焚燒發電項目普遍采取的是企業商業投資行為和政府電價支持機制，采用該機制主要是由于我國各級政府財政實力相對較弱，沒有一次性足額撥款直接建設垃圾焚燒發電廠的能力。當前的政策是只將垃圾焚燒發電作為城市環衛設施、公益設施來建設和運行，費用和還貸全部要有政府補貼，主要來源是靠垃圾收費或財政補貼，而電價不補貼或補貼很少。而由于垃圾焚燒發電廠的造價較高，尚不夠還貸款本息，垃圾處理費又很難收繳，且很多城市對垃圾焚燒發電只是進行補貼承諾，實際上垃圾焚燒發電廠很難得到。通過計算，當前垃圾焚燒發電的電價只有0.7元/度以上才能保本微利，但由于總收入較低，垃圾焚燒發電企業普遍反映經營困難，個別企業甚至不能正常歸還貸款，主要原因還是垃圾焚燒發電的上網電量較少，有些地方政府垃圾處理補貼標準偏低或不能完全落實，電價相對較低等原因導致。

垃圾氣化比垃圾焚燒的環保性更好，但投資也更高昂，垃圾焚燒發電在當前的政策支持力度下尚不能很好地生產盈利，因而垃圾氣化項目的經濟性必然較差。而垃圾氣化項目屬于社會性公益事業，其所追求的重點是垃圾無害化處理的環境效益和社會效益，若得不到有效的投資、稅收、補貼等優惠政策和政府補貼支持，垃圾氣化項目將難以長期穩定發展。

綜上所述，由于存在上述問題，我國的垃圾氣化技術應用和發展還需要經過一個長期過程。

3　垃圾氣化技術發展趨勢

目前，垃圾填埋技術雖在我國生活垃圾處理領域仍處于主導地位，但受土地資源限制，填埋處理的比例在我國已開始下降；受處理成本和產品銷路影響，堆肥技術在我國垃圾處理領域的發展前景并不看好；垃圾焚燒處理除了會產生二英等致癌物質外，焚燒飛灰含重金屬也會污染環境，造成二次污染，此外，垃圾焚燒“鄰避效應”帶來的群體性事件也造成了一定的社會問題，影響了推廣應用。垃圾氣化技術雖起步較晚，但技術先進，發展較快，可以很好地避免垃圾填埋、堆肥、焚燒帶來的多種問題，將會逐漸發展成為垃圾處理領域的主流技術，目前處于快速推廣和應用階段。

從生態角度看，垃圾是一種污染源，但從資源利用角度來看，垃圾是地球上唯一不斷增長的資源：4～8噸的城市垃圾燃燒所產生的熱量相當于1噸標煤燃燒產生的熱量，以城市垃圾焚燒發電為例，如果能將我國城市垃圾充分有效地用于發電，每年將可節省2500萬～5000萬噸煤炭資源。因此，從資源利用角度來看，可以將垃圾當成一種低熱值資源。采用垃圾氣化技術，通過合理可行的工藝技術方案和先進的工程技術手段加以利用，不但可將垃圾進行氣化后清潔發電，還可將垃圾氣化生產天然氣、制取氫氣等化工產品，既可解決垃圾帶來的環境污染和生態破壞問題，也可避免垃圾焚燒所產生的環境和社會問題，同時還能很好地起到廢棄物再利用的循環經濟效果，為我國循環經濟提供一種新的思路。

目前，雖然我國垃圾氣化技術在垃圾收集與分類、技術成熟度和可靠性、項目的經濟性和政策及補貼等方面還存在著一些問題，但隨著人們對環保的日益重視和我國能源資源短缺日益嚴峻的形勢下，采用垃圾氣化技術不但可以有效解決垃圾帶來的環境污染問題，而且可以將垃圾氣化生成的合成氣用于發電或生產化工產品，進行循環利用，緩解當前我國資源能源短缺狀況，真正實現垃圾處理的無害化、減量化和資源化。

綜上所述，垃圾氣化技術具有廣闊的發展空間和應用前景。與此同時，垃圾氣化技術本身也需朝著提高技術的可靠性、成熟性和經濟性等方面發展。

4　結語

隨著垃圾產生量的日益增長，造成的環境問題、生態問題和社會問題也日益嚴峻，而垃圾氣化技術具有優異的環保特性，能夠解決垃圾處理所帶來的一系列問題。將垃圾當成一種低熱值的資源，采用先進的垃圾氣化技術生產合成氣用于發電或制取天然氣等化工產品，在解決垃圾帶來問題的同時，將能很好地起到廢棄物再利用的循環經濟效果，并在一定程度上緩解當前我國資源能源短缺狀況。

技術先進性和環保優越性是垃圾氣化技術最主要的特點和優勢，相比于垃圾填埋、堆肥和焚燒技術，垃圾氣化技術可以真正實現垃圾處理的無害化、減量化和資源化，無疑是垃圾處理技術的發展趨勢。但無論是熱氣化技術，還是等離子氣化技術，其工業化應用目前還處于前期階段，技術的成熟性和可靠性還有待進一步的驗證和積累，項目的經濟性還有待進一步研究和提高，進行廣泛推廣和應用尚需時日。作為垃圾處理領域的新技術，垃圾氣化技術是當前最先進和最環保的垃圾處理技術，必將成為未來垃圾處理領域新的發展趨勢。

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Application Status and Development Tendency of Refuse Gasification Technology

LIANG Yong-huang, WEI Tao
(China Wuhuan Engineering Co., Ltd, Wuhan 430223, China)

Abstract:The paper introduces briefly the refuse gasification technology and its main characteristics; focuses on two different types of refuse gasification technologies--- developments and applications of thermal selection and gasification technology and plasma gasification technology; analyzes the main problems existed in the development process of the refuse gasification technology in China and prospects the development tendency of the refuse gasification technology.

Keywords:refuse gasification technology; thermal selection and gasification; plasma gasification; application status; development tendency

中圖分類號：X799.3

文獻標志碼：A

文章編號：1006-5377（2016）03-0047-08