刘文凯1 侯少芹1 张伊繁1

Study on Correlation between Ash Fusibility and Coal

Ash Composition

LIU Wen-Kai1 HOU Shao-Qin1 ZHANG Yi-Fan1

Abstract By studying coal ash samples from different regions and varieties, the paper explores the correlation between

element components of coal ash and characteristic temperatures of coal ash fusibility. Through multiple regression analysis, nine

main components in coal ash and the proportion of acidic oxides and alkaline oxide are used to deduce the regression formula to

calculate and audit characteristic temperatures of coal ash fusibility.

Keywords coalash composition; ash fusibility; acid and alkali ratio; multiple regression equation

在进出口商品贸易中，煤炭、原油等大宗能源商 在高温下灼烧后的产物。煤燃烧后灰分的存在除了

品的检测结果直接影响贸易结算，煤灰熔融性是煤炭 其中一部分矿物质可能产生一定的催化作用外，其

进出口贸易定价的重要参考指标。 余矿物质都起着负面的影响：比如会增大飞灰损失

煤中残余矿物质在高温锅炉中的状态主要是由煤 和灰渣热损失，降低煤炭的燃烧效率和锅炉向外传

灰熔融性温度反映，根据煤灰熔融性温度的高低可以 递热量的热效率，污染空气环境等，而且若剩余的

预计残余矿物质在高温锅炉中的结渣程度 [1]，研究灰 灰分排放不当还会造成锅炉内结渣，影响热力设备

的熔融特性对于实际生产意义重大。煤灰熔融性各特 的正常运行 [2-5]。煤灰主要由 SiO2、Fe2O3、Al2O3、

征温度的高低，主要取决于煤灰成分，煤灰熔融性与 MgO、CaO 等 9 种氧化物构成，根据煤灰中各种氧

煤灰成分有十分密切的相关关系。煤灰是煤中矿物质 化物化学成分的离子势，可将这些氧化物分为两大类：

第一作者：刘文凯（1997—），男，汉族，河北尚义人，本科，助理工程师， 主要从事煤炭、矿石检验， E-mail: 1463108363@qq.com

1. 力鸿检验集团有限公司天津分公司 天津 300450

1. Leon Inspection Group Co., Ltd. Tianjin Branch,Tianjin 300450

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中国口岸科学技术

碱性氧化物（CaO、Na2O、MgO、Fe2O3 及 K2O）和 融性的相关关系，本项目煤灰样品来源于不同地区不

酸性氧化物（Al2O3、SiO2、TiO ）

[6]

2 。 同煤种，共计 56 份，煤灰成分按照国家标准 GB/T

本文以不同煤种煤样为研究对象，涉及澳优、神 37673-2019 中给出的测量仪器、测量方式进行测试，

混、准混、石炭、平混、伊泰混等煤种，从煤灰中各 煤灰熔融性按照国家标准 GB/T 219-2008 中给出的测

氧化物含量、酸碱比对灰熔融特性的影响，分析煤灰 量仪器、测量方式测试，测试结果见表 1。

熔融特性与灰成分之间的关系，对灰熔融性及灰成分

结果计算及数据审核有一定的指导意义。 2 煤灰中主要元素组分与煤灰熔融性的相关关系

1 数据采集 2.1 SiO2与煤灰熔融性的关系

SiO2 是煤灰的主要组成成分之一，几乎所有矿

为获取具有代表性的数据来研究煤灰成分与灰熔 物组成中都含有 SiO2，其单体熔点为 1730℃

[7]。本

表1 煤灰成分与灰熔融性数据

Table 1 Test data of coal ash composition and ash fusibility

煤灰成分 (%) 煤灰熔融性 (℃)

编号

Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 K2O CaO TiO2 Fe2O3 DT ST HT FT

JY01 0.00 0.30 50.76 31.80 0.40 0.56 5.40 1.80 2.52 1470 ＞1500 ＞1500 ＞1500

JY02 1.47 1.14 18.20 50.92 0.04 1.74 9.80 0.75 8.96 1120 1150 1160 1190

JY03 1.48 0.80 19.22 50.80 0.04 1.65 11.80 0.77 7.46 1140 1170 1180 1220

JY04 0.00 0.76 39.52 41.12 0.56 0.39 5.76 1.30 4.73 1410 ＞1500 ＞1500 ＞1500

JY05 0.06 0.74 42.62 36.92 0.32 0.63 6.35 1.57 3.30 1410 ＞1500 ＞1500 ＞1500

JY06 1.69 1.15 18.10 45.88 0.08 1.48 14.30 0.71 7.92 1140 1150 1160 1200

JY07 2.07 2.00 14.23 40.90 0.11 1.16 15.53 0.58 7.52 1140 1150 1150 1160

ZH01 1.44 1.74 16.86 31.54 0.43 0.30 20.46 0.52 9.30 1150 1160 1170 1190

ZH02 2.32 2.28 10.14 17.99 0.22 0.22 36.02 0.37 15.35 1280 1340 1370 1380

ZH03 0.00 0.25 53.04 37.34 0.46 0.42 3.13 2.11 1.02 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

ZH04 0.00 0.28 52.24 33.27 0.47 0.50 4.78 1.99 1.86 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

ZH05 0.00 0.90 37.26 42.80 0.35 0.52 5.38 1.36 5.34 1470 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS01 0.00 0.62 41.22 46.60 0.42 0.43 3.26 1.39 2.72 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS02 0.00 0.51 40.43 45.36 0.33 0.81 4.62 1.43 2.99 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS03 0.00 0.74 37.86 46.62 0.31 0.48 4.54 1.12 3.29 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS04 0.00 0.82 38.40 45.63 0.35 0.28 5.46 1.27 1.68 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS05 0.00 0.71 43.15 46.60 0.40 0.18 2.16 1.93 2.40 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS06 0.00 0.91 38.71 43.94 0.44 0.29 5.42 1.21 2.79 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS07 1.60 2.46 14.84 36.14 0.02 1.08 18.52 0.85 12.79 1130 1130 1140 1150

TS08 0.00 1.03 37.44 39.48 0.57 0.23 6.59 1.24 4.52 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS09 0.00 0.80 39.68 43.87 0.47 0.42 5.34 1.52 2.25 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS10 0.00 0.82 49.07 39.48 0.68 0.14 3.33 2.10 1.55 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

91

CHINA PORT SCIENCE AND TECHNOLOGY

表1（续）

煤灰成分 (%) 煤灰熔融性 (℃)

编号

Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 K2O CaO TiO2 Fe2O3 DT ST HT FT

TS11 0.00 1.04 40.48 46.18 0.43 0.05 3.82 1.39 2.30 1430 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS12 0.94 3.02 11.60 33.40 0.10 0.94 14.72 0.46 11.32 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS13 0.00 0.88 39.34 36.58 0.52 0.43 8.50 1.38 3.40 1440 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS14 0.88 0.26 19.66 52.30 0.03 2.20 12.40 0.94 9.55 1120 1120 1130 1190

TS15 0.01 1.18 38.38 39.90 0.46 0.29 6.86 1.03 1.98 1490 ＞1500 ＞1500 ＞1500

TS16 0.90 0.79 17.12 43.98 0.12 1.77 15.52 0.81 9.72 1130 1130 1140 1150

TS17 0.00 0.92 42.16 40.98 0.48 0.23 5.22 1.38 1.77 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

HL01 0.32 0.46 24.77 54.03 0.92 1.68 9.28 1.03 5.15 1210 1250 1270 1320

SM01 1.56 0.20 25.24 54.31 0.00 2.18 3.56 1.15 14.90 1150 1180 1200 1280

SM02 1.58 0.82 18.30 50.09 0.00 1.98 10.22 0.98 12.62 1100 1120 1120 1130

SM03 1.74 1.96 16.52 41.44 0.00 1.43 16.71 0.88 10.52 1100 1120 1130 1140

SM04 1.63 0.36 18.18 64.34 0.00 2.48 3.80 0.86 12.88 1170 1200 1230 1340

SM05 1.74 0.86 17.68 41.93 0.00 1.50 18.56 0.72 7.89 1120 1120 1120 1130

SM06 1.34 0.00 22.74 71.14 0.00 2.87 5.00 0.98 3.73 1203 1246 1256 1314

SM07 0.88 0.98 18.31 49.54 0.16 1.34 16.88 0.72 5.29 1146 1166 1176 1204

CZ01 2.36 1.41 23.51 39.76 0.36 0.40 12.23 0.56 7.81 1230 1250 1260 1270

CZ02 1.51 1.37 17.33 44.44 0.05 0.96 13.06 0.79 8.78 1120 1140 1150 1180

CZ03 1.53 0.89 21.49 51.27 0.12 1.34 9.26 0.98 6.82 1220 1240 1250 1270

CZ04 1.23 1.28 17.02 45.81 0.02 1.12 13.97 0.85 8.20 1110 1130 1130 1150

CZ05 2.85 1.62 18.20 50.06 0.06 0.85 11.78 0.83 7.59 1100 1110 1120 1140

CZ06 2.83 1.53 17.42 50.00 0.04 0.99 11.11 0.80 7.96 1090 1100 1110 1130

QHD01 1.73 0.16 23.00 62.22 0.00 2.20 6.90 0.98 6.11 1180 1220 1240 1270

QHD02 0.00 0.16 53.32 34.98 0.44 0.61 4.27 2.19 1.30 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

QHD03 0.02 1.05 41.28 42.86 0.48 0.27 5.45 1.64 2.54 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

NJ01 0.00 0.20 51.50 35.69 0.38 0.63 4.56 1.94 1.25 ＞1500 ＞1500 ＞1500 ＞1500

NJ02 0.02 1.32 32.41 39.06 0.29 0.40 5.90 1.32 10.52 1300 1330 1340 1380

NJ03 0.00 0.87 39.54 40.68 0.52 0.22 6.54 1.09 2.83 1450 ＞1500 ＞1500 ＞1500

NJ04 0.07 0.32 24.74 68.16 0.06 1.46 2.13 1.15 3.94 1460 ＞1500 ＞1500 ＞1500

NJ05 1.52 0.50 21.03 61.42 0.06 2.28 6.06 0.88 8.66 1120 1190 1210 1280

HB01 1.50 0.70 18.08 54.02 0.06 1.78 9.90 0.76 8.57 1120 1180 1190 1220

HB02 1.34 0.64 19.08 59.22 0.10 2.10 6.36 0.82 9.00 1160 1190 1200 1250

HB03 0.02 0.62 45.68 35.00 0.29 0.56 6.34 1.62 2.58 1430 ＞1500 ＞1500 ＞1500

HB04 0.07 1.07 34.05 45.54 0.36 0.65 5.52 1.25 5.16 1470 ＞1500 ＞1500 ＞1500

XJ01 0.66 3.14 16.23 30.10 0.11 1.06 29.84 0.60 12.12 1260 1280 1290 1290

注：DT 为变形温度；ST 为软化温度；HT 为半球温度；FT 为流动温度。

92

中国口岸科学技术

项目所测定灰样中 SiO2 含量在 20% ～ 70% 之间，

当 SiO2 ≤ 40% 时，煤灰熔融性各特征温度随 SiO2

含量增大而降低，当 SiO2 ＞ 40% 时，煤灰熔融性

各特征温度随 SiO2 含量增大而升高，该现象证实了

在 SiO2 ＜ 40% 时，其易与其它氧化物形成共熔体，

从而使得煤灰熔点降低，但由于 SiO2 本身熔点高达

1730℃，所以当 SiO2 ＞ 40% 后，各特征温度又会上

升 [4]。SiO2 含量在 30% ～ 50% 的煤灰，煤灰熔融性

各特征温度既有小于 1100℃ 的，也有大于 1500℃ 的。

这说明当 SiO2 在 30% ～ 50% 时煤灰熔融性各特征 图2 煤灰中Al2O3与流动温度的关系

温度的高低受 Al2O3、Fe2O3、CaO 等其他成分含量 Fig.2 Relationship between Al2O3 in coal ashand flow

的影响较大 [2]。煤灰中 SiO2 含量与煤灰流动温度的 temperature

关系如图 1 所示。

2.3 CaO与煤灰熔融性的关系

CaO 属于碱性氧化物，熔点很高，但其具有助

熔作用，可以与煤灰中的其他氧化物形成低熔点的共

融体。本项目所测定灰样中 CaO 大多在 20% 以下，

极个别灰样 CaO 含量达到 30% 以上。煤灰熔融性

各特征温度大于 1500℃ 的煤灰，CaO ＜ 10%；CaO

＞ 10% 的煤灰，煤灰熔融性各特征温度均在 1300℃

以 下；CaO ＞ 15% 的 煤 灰， 煤 灰 熔 融 性 各 特 征 温

度均在 1200℃ 以下。极少数 CaO 含量大于 30% 的

煤灰，流动温度反而会高于 10% ～ 20% 的煤灰，

图1 煤灰中SiO2与流动温度的关系 与 5% ～ 10% 的煤灰接近，这是由于煤灰中 CaO ＞

Fig.1 Relationship between SiO2 in coal ash and flow 30% 时，会有一部分 CaO 以单体的形态存在，导致

temperature

各特征温度也增高 [2]。CaO 含量与流动温度的关系

2.2 Al2O3与煤灰熔融性的关系 如图

3 所示。

本项目所测定灰样中 Al2O3 含量均在 10% 以上，

Al2O3 固体单体为离子晶体，其熔点为 2050℃，在煤

灰熔融时起“骨架”作用 [4]，它能明显提高灰的

熔融温度，煤灰熔融性各特征温度的变化趋势是

随 Al2O3 所占的百分含量的增高而升高。Al2O3 ＞

35% 时，煤灰的软化温度最低也在 1400℃ 左右，

变形温度、半球温度、流动温度均高于 1500℃。

由于煤灰组分比较复杂，并且各组分含量的高低

变化幅度比较大，需要综合考虑其他氧化物的含量

才能判断煤灰熔融性情况 [2]。煤灰中 Al2O3 含量与煤 图3 CaO与流动温度的关系

灰流动温度的关系如图 2 所示。 Fig.3 Relationship between CaO and flow temperature

93

CHINA PORT SCIENCE AND TECHNOLOGY

2.4 MgO、Na2O、K2O、P2O5与灰熔融性的关系 是：酸碱比从零点几增至 20 以上，煤灰熔融性各特

MgO、Na2O、K2O、P2O5 在煤灰成分中所占比 征温度先减小后增大。酸碱比在 2.0 ～ 3.0 时 , 煤灰

例 较 小，MgO、Na2O、K2O 均 在 3% 以 下，P2O5 在 中的 CaO、MgO 等碱性氧化物与 Al2O3、TiO2 等酸性

1% 以下，但是这 4 种组分与流动温度亦有较为明显 氧化物易形成低温共熔体，并且在该酸碱比下形成的

的相关关系，整体上流动温度有随着 MgO 含量增大 低温共熔体量比较多，所以煤灰熔融性各特征温度达

而降低的趋势。流动温度大于 1500℃ 的灰样 MgO 含 到最小值 [2]。当酸碱比远离 3.0 时，低温共熔体量减少，

量均在 1.5% 以下、Na2O 含量大多为零、K2O 含量均 煤灰熔融性各特征温度逐渐升高，酸碱比在 6 以上时

在 1% 以下，因为 MgO、Na2O、K2O 熔点低，容易 煤灰熔融性各特征温度均大于 1500℃，其中流动温

与煤灰中其他氧化物生成熔点较低的共熔体 [7]，所以 度受酸碱比影响最为明显，如图 4 所示。

MgO、Na2O、K2O 含量虽然很少，但对煤灰熔融性

各特征温度的影响不容忽视。

2.5 TiO2与煤灰熔融性的关系

本项目所测定灰样中 TiO2 含量均在 2.5% 以下，

TiO2 本身的熔点为 1850℃

[9]，煤灰熔融性各特征温度

有随着 TiO2 含量增大而升高的趋势，并且 TiO2 ＞ 1.0%

的灰样的流动温度大多大于 1500℃，由此可见 TiO2

在煤灰中含量虽低，但对煤灰熔融性各特征温度也起

着至关重要的影响。

2.6 碱性氧化物与煤灰熔融性的关系

图4 煤灰中酸碱比与流动温度的关系

本项目所测定灰样中碱性氧化物含量大多在 Fig.4 Relationship between acid－base ratio and FT

5% ～ 40% 之间，极个别灰样碱性氧化物＞ 40%。煤

灰熔融性各特征温度总趋势是随灰中碱性氧化物含 3 煤灰熔融性各特征温度的多元回归方程

量的增高而逐渐降低，碱性氧化物含量在 15% 以下

时，变形温度最低也在 1400℃ 以上，软化温度、变 3.1 煤灰熔融性各特征温度的多元回归方程

形温度和半球温度均在 1500℃ 以上。碱性氧化物＞ 使用本项目测定的煤灰成分与灰熔融性数据，利

25% 时，软化温度、变形温度、半球温度和流动温 用多元回归分析方法推导出煤灰熔融性各特征温度的

度均在 1200℃ 以下。碱性氧化物＞ 40% 的灰样主 回归式如下：

要是 CaO 含量较高，起到了升高煤灰熔融性各特征 a)DT ＝ 1.75Na 2O(%) ＋ 8.98MgO(%) ＋

温度的作用 [10-11]。 5.71Al2O3(%) － 9.49SiO2(%) － 81.02P2O5(%) ＋

2.7 酸性氧化物与煤灰熔融性的关系 24.67K2O(%) ＋ 5.35CaO(%) － 117.39TiO2(%) ＋

2

本项目所测定灰样中酸性氧化物含量大多＞ 2.39Fe2O3(%) ＋ 114.77 酸碱比＋ 1134.68，r ＝ 0.9336；

40%，极个别灰样酸性氧化物含量＜ 31%。煤灰熔融 b)ST ＝ -4.65Na2O(%) ＋ 14.38MgO(%) ＋

性软化温度、变形温度、半球温度和流动温度的总体 4.98Al2O3(%) － 9.01SiO2(%) － 98.83P2O5(%) ＋

趋势是随着煤灰中 SiO 、Al O 等酸性氧化物含量的 14.66K2O(%) ＋ 7.65CaO(%) － 179.54TiO (%) ＋2 2 3 2

增高而升高，软化温度大于 1500℃ 的灰样，其酸性 7.36Fe2O3(%) ＋ 150.18 酸碱比＋ 1044.79，r

2 ＝ 0.9443；

氧化物含量均在 80% 以上。 c) HT ＝ -4.68Na2O(%) ＋ 18.85MgO(%) ＋

2.8 酸碱比与煤灰熔融性的关系 5.74Al2O3(%) － 8.18SiO2(%) － 92.09P2O5(%) ＋

酸碱比对煤灰熔融性各特征温度的影响总体趋势 12.40K2O(%) ＋ 9.51CaO(%) － 190.75TiO2(%) ＋

94

中国口岸科学技术

9.17Fe2O3(%) ＋ 157.76 酸碱比 +946.16，r

2 ＝ 0.9489； 由表 2 可以看出，神混、陕煤、中蒙等单一煤种

d) FT ＝ -16.06Na2O(%) ＋ 22.03MgO(%) ＋ 或者部分混煤，属于低灰熔融性煤种，多元回归式计

7.21Al2O3(%) － 6.24SiO2(%) － 101.48P2O5(%) ＋ 算出的各特征温度值与实测值差值均小于 40℃，其

6.69K2O(%) ＋ 11.43CaO(%) － 228.31TiO2(%) ＋ 中单一煤种各特征温度计算值与实测值差值总体小

11.47Fe2O3(%) ＋ 168.35 酸碱比＋ 833.14，r

2 ＝ 0.9611。 于混煤结果；高硫石炭煤种灰熔融性软化温度介于

1300 ～ 1500℃，多元回归式计算出的各特征温度值

3.2 多元回归方程结果验证 与实测值差值均小于 10℃；对于灰熔融性各特征温

为验证回归式的准确度与适用性，测试 18 个不 度大于 1500℃ 的澳优等煤种计算出的各特征温度均

同煤种样品的煤灰成分数据及灰熔融性各特征温度， 高于 1500℃，与实测结果一致。

将煤灰成分数据代入多元回归分析方法推导出的回归 煤灰熔融性是指导锅炉设计和运行的重要参数，

式得出计算值，将实测值与计算值进行比较，具体数 锅炉用煤往往涉及多煤种配煤掺烧，本项目推导出的

据见表 2。 灰熔融性与灰成分的多元回归式对于不同灰熔融性结

表2 灰熔融性各特征温度的实测值与计算值

Table 2 Measured and calculated values of characteristic temperatures of ash fusibility

ΔDT ΔST ΔHT ΔFT

样品 DT实测值 DT计算值 ST实测值 ST计算值 HT实测值 HT计算值 FT实测值 FT计算值

煤种 计算-实测 计算-实测 计算-实测 计算-实测

序号 (℃) (℃) (℃) (℃) (℃) (℃) (℃) (℃)

(℃) (℃) (℃) (℃)

1 神2 1280 1280 0 1340 1338 -2 1370 1368 -2 1380 1378 -2

2 外购神优 1220 1218 -2 1240 1253 13 1250 1264 14 1270 1298 28

3 外购5000 1140 1146 6 1150 1162 12 1150 1167 17 1160 1177 17

4 中蒙1 1130 1127 -3 1130 1142 12 1140 1152 12 1150 1163 13

5 陕煤1 1130 1124 -6 1130 1135 5 1140 1140 0 1150 1163 13

6 5-2混煤 1146 1139 -7 1166 1163 -3 1176 1176 0 1204 1217 13

7 神混5200 1140 1157 17 1150 1175 25 1160 1183 23 1200 1208 8

8 中天 1120 1128 8 1120 1146 26 1130 1154 24 1190 1191 1

9 中天 1130 1153 23 1150 1186 36 1150 1190 40 1170 1204 34

10 神1 1150 1169 19 1160 1188 28 1170 1198 28 1190 1212 22

11 混煤 1210 1229 19 1250 1268 18 1270 1289 19 1320 1338 18

12 外购5500 1140 1174 34 1170 1204 34 1180 1214 34 1220 1249 29

13 混煤 1260 1222 -38 1280 1261 -19 1290 1291 1 1290 1329 39

14 高硫石炭 1300 1310 10 1330 1339 9 1340 1350 10 1380 1387 7

15 珠投2号 ＞1500 1568 ＞1500 1647 ＞1500 1672 ＞1500 1708

16 伊泰9 ＞1500 1568 ＞1500 1648 ＞1500 1672 ＞1500 1731

17 混煤 ＞1500 1839 ＞1500 1982 ＞1500 2024 ＞1500 2081

18 澳优 ＞1500 1533 ＞1500 1622 ＞1500 1648 ＞1500 1691

注：DT 为变形温度；ST 为软化温度；HT 为半球温度；FT 为流动温度。

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果的煤种计算值与实测值结果均在 GB/T 219-2008 要 性氧化物的比值与煤灰熔融性各特征温度的相关关

求的重复性限范围内，可用于煤炭检测实验室或电厂 系，并用 SiO2、Al2O3 等 9 种煤灰主要成分及酸碱比

灰熔融性特征温度计算或者结果审核。 与煤灰熔融性各特征温度进行多元回归方程拟合。选

取神混、高硫石炭、澳优等单一煤种及混煤计 18 个

4 结语 灰样进行验证，利用拟合方程计算出的各特征温度值

与实测值差值均小于 40℃，在 GB/T 219-2008 要求重

本项目选择不同地区、不同煤种样品进行检测， 复性限范围内，该方程可用于指导煤灰熔融性各特征

较为全面地分析了煤灰各主要成分及酸性氧化物和碱 温度计算或结果审核。

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（文章类别：CPST-A）

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