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行業新聞

生物質能源的應用技術研究

發布時間: 2017-08-17 22:28   908 次瀏覽


化石能源的日益緊缺及其衍生的環境污染問題越來越嚴重。生物質能源的開發和應用,以其可再生性和環保性,越來越受到人們的重視。就目前的應用現狀來看,其應用形態,主要分為固態生物質能源、液態生物質能源和氣態生物質能源三種。采用物理方法的生物質固態成型技術的優勢在于設備簡單,生產工藝簡便,利用方式簡潔,但也同樣存在著加工方式粗放,能源轉換效率低下等劣勢。液態生物質能源能夠直接替代現在化石能源的可能性******,但是它的生產工藝復雜,專業化集成度較高,推廣有一定的限制。氣態生物質能源利用***廣泛,主要有氣化發電和農用沼氣等方式。存在的主要利用瓶頸就是氣態生物質當中含有多種雜質,去除雜質的方法缺乏。經過研究發現,雖然生物質能源的發展受到一些限制,但是隨著其利用技術的進步和現代經濟社會的發展,生物質能源的開發和利用前景很廣闊。

  隨著經濟的迅速發展,人們對能源的依賴程度越來越高。但人們也越來越清醒的認識到,以煤、石油、天然氣為主的化石能源儲量有限,是不可再生能源。近百年來,全球各國不同程度的對化石能源進行了過渡性開采,化石能源的枯竭已是遲早之事,已不能滿足人類飛速發展的需求。而且化石能源的集中大量消耗,對人類居住的環境造成嚴重的污染,引發全球氣溫升高,從而影響了生態環境。因此,能源緊缺問題、環境污染問題已成為當今世界必須面對解決的重要問題,開發新的可再生綠色能源,便成為各國面臨的重要課題。世界能源發展已進入新一輪戰略調整期。_1]生物質能源是目前人類可利用綠色可再生能源之一,世界能源委員會將生物質能源列為可再生能源的******。生物質能源分布廣泛,幾乎處處都有,各國對生物質能源的開發與利用早已如火如荼的展開了,有些技術已經產業化。

  1生物質能源概述

  1.1生物質能源的生成機理.

  生物質能源是地球上***普遍的一種可再生能源,它是通過植物光合作用,將太陽能以化學能的形式貯存在生物體內的一種能量形式,被稱為綠色能源。狹義的生物質一般是指植物體在生長過程中,將太陽能轉化為化學能,并存儲在植物體各個器官內的能源物質形式。廣義的生物質還包括以植物體或某器官為食物而轉化至動物、微生物等生命體獲得的能源物質形式,包括利用現代技術加工生物體或器官后剩余的廢棄物等。因此,生物質能源從根本上說,來源于太陽能,使所存儲的能量轉移至生物質依賴于光合作用,作用如下:

           

因此生物質主要為含碳、氫有機物,具有含硫、氮少,CO2排放幾乎為零的優點,另外一般還含有少量的鉀、鈉等金屬元素。

  1.2生物質能源開發研究的國內外現狀

  人類對生物質能源的利用不是剛剛開始,100多年前,人們對化石能源的依賴程度還不高,能源便主要來自于生物質。19世紀末20世紀初,對能源的需求急劇增加,隨著煤炭開采業的發展,煤炭迅速替代生物質,成為人類主要能源來源,生物質能源在人類消耗的能源中的比例逐步縮小。

  1.2.1國外研究現狀

  目前,許多國家對生物質能源開發利用已進行了大量研究和實踐。生物質固化成型技術在歐美、日韓等國家已比較成熟,生物質固化燃料在日、美等國家已經商品化,工業生產、家庭采暖等均有使用。

  日本和歐美等國家的小型生物質燃料設備已經產業化,在供暖、發電領域得到普遍推廣。國外已有較先進的流化床反應器、循環流化床反應器、真空熱裂解反應器等生物質制備設備。美國在生物質氣化發電方面處于************地位,發電量已超過其利用風能、太陽能、地熱能發電的總和。1980年,美國提出以生物柴油代替化石柴油戰略,2005年成為世界******燃料乙醇生產大國。巴西長期以來將推廣乙醇燃料作為國家重要能源政策之一。美國和巴西是世界上******的燃料乙醇生產國。

  1.2.2國內研究現狀

  我國生物質直燃發電和氣化發電已逐步實現了產業化,燃料乙醇技術正在起步應用,已建成燃料乙醇示范廠;生物柴油技術已進入產業示范階段;大中型制氣工程工藝技術已日趨成熟。生物質的直接、間接液化生產液體燃料技術準備進行工業示范。據估算,地球上每年光合作用產生的生物質能量是世界主要燃料消耗的10倍,而其利用量還不到1%。我國是一個農業大國,具有豐富的農林生物質資源,因此,開發生物質能源具有深遠的意義,應用前景廣闊。

  1.3生物質能源的幾個主要來源途徑

  目前,用于生物質能源開發的主要是非糧生物質,如作物秸稈、林場枝葉廢棄物,畜牧糞便、動物產品下腳料,生活垃圾,城市有機廢水和污泥等。長期以來,人們對生物質資源中的固體廢棄物常用的處理方法為堆肥、填埋、焚燒等。堆肥法和填埋法周期長,且容易對土壤和水資源造成二次污染;焚燒法可以利用其熱值,但投資巨大,成本高,容易造成大氣污染。因此,這些廢棄物的有效利用不僅可以增值形成新能源,還可以解決環境污染問題。

  1.3.1作物秸稈

  農作物秸稈是非常豐富的可再生生物質資源,包括小麥、玉米、高粱、棉花、大豆、水稻等農作物收獲后的廢棄部分,還包括農產品加工后的廢棄部分,如甘蔗渣。我國每年產秸稈量相當于3.5億t標準煤,去除工業使用、粉碎還田、飼料、培養食用菌、農戶炊事及取暖焚燒等使用外,至少剩余30%,常直接被焚燒,不僅造成大量能源資源浪費,而且導致環境污染。因此,將廢棄的秸稈充分利用,既可以提取所含能量,又可以改善農村環境,減少空氣污染,利用后的秸稈灰還可以直接返田增加土壤無機肥料。

  1.3.2畜禽糞便

  我國畜禽業比較發達,養殖的畜禽主要為牛、豬、雞。家庭圈養、散養的畜禽糞便搜集不便,且很多養殖戶直接將糞便漚肥用于肥田;但規?;笄蒺B殖場,每年產生大量養殖糞便和污水,有機物的閑置對環境和地下水造成了極大污染。我國每年有25億t畜牧糞便和大量有機廢棄物閑置或浪費,其熱值相當于3億t標準煤,理論上可生產約750億m3沼氣。據統計,2007年我國畜牧糞便實物量為12.47億t,其中可開發部分總量為8.84億t,預計2015年規?;S便實物量將達到32.5億t。畜牧糞便資源巨大,而且逐年增加,是沼氣產業重要的原料來源。

  1.3.3園林、林業廢棄物

  為改善城市生態環境,我國非常重視城市綠化質量。據資料顯示,2011年,我國城市建成區綠化覆蓋面積已達到161.2萬hm2,綠化覆蓋率為38.62%。隨著城市園林綠化業的繁榮,每年都有大量殘枝落葉和草坪修剪廢棄物。我國林地、林廠木材加工殘余料及樹林廢棄物每年約有2億萬t未被利用,不進行妥善處理,極易構成火災隱患。林業廢棄物、木材加工剩余物、園林綠化剩余物資源集中,收集方便,是可有效開發的重要生物質資源。

  1.3.4其他生物質資源

  工業生產有機廢棄物、污水及城市生活餐廚垃圾等蘊藏著大量的生物質能源。城市生活垃圾中約有30%為有機垃圾,我國生活垃圾年產量達2億t,且每年以10%速度增長,對環境產生了嚴重危害。食品加工、畜禽屠殺、水產養殖和漁業、制糖、釀酒、造紙等行業每年產生的有機廢棄物非??捎^。據不完全統計,僅農產品加工行業每年產生的廢棄物可產500億m3沼氣。城市垃圾、工業生產有機廢棄物相對比較集中,非常利于搜集。

  另外,我國糧食主產區的陳化糧也是非??捎^的生物質資源,除工業生產外,必要時也可以作為能源資源使用,但要注意防止“與人爭糧”。其他的還有甘蔗、木薯、菊芋、高粱等。在貧瘠土地上可茂盛生長的各種植物,均為豐富可開發的生物質資源。吳志莊等還提出,可以利用我國資源豐富、分布廣泛的竹類資源,以竹類加工剩余物(約占60%)為原料可以生產生物乙醇,還可以進行發電。

  2生物質能源的主要應用技術

  生物質能源的利用主要通過物理法、化學法和生物法等技術手段,將生物質材料轉化為工農業生產中可直接使用的能源物質。從轉化產品的狀態來看,可以有固態能源、液態能源、氣態能源。固態能源主要為生物質顆粒;液態能源有生物乙醇、生物柴油、裂解油等;氣態能源有沼氣、氫氣、生物質燃氣等。

  2.1固態生物質能源的應用技術

  2.1.1固態生物質能源的成型機理

  生物質原材料一般質地松散,含水量大,空間占用量大,不易倉儲和運輸,燃燒效率低,因此,大部分生物質原材料使用前需要處理。一般將生物質原材料進行干燥、粉碎或切斷,或首先經過炭化工藝,再壓縮,靠原料內部的粘結力互相嚙合在一起而成型,從而使松散、多水分的生物質原材料變為松弛密度和強度均較高的固體成型燃料或顆粒狀材料,便于運輸,燃燒效率高。通常,生物質材料中纖維素和木質素的含量影響常溫下顆粒成型的難易,成型燃料的松弛密度和耐久性可反映其性能。用于成型的生物質原材料多為秸稈、林場廢棄物等,也有將畜禽糞便加工為生物質顆粒物的。齊菁等研究了稻殼生物質顆粒的成型機理,用電子顯微鏡觀察了顆粒內部結構,成型效果好,認為可以作為生物質顆粒。魏偉研究了以油茶果殼為原料的固體燃料成型規律,并設計了一條理論上年產4萬t的顆粒燃料加工生產線。錢新鋒提出,將園林修剪物等炭化處理制備生物碳,還可用于改善土壤環境。

  2.1.2固態生物質能源的生產設備

  用于生物質原材料成型的設備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和模壓式3類。國內大部分采用模壓式生產工藝,主要有冷壓成型、熱壓成型和炭化成型。模壓成型的優點是生產效率高,原料適應性強?;酐慃恄2等的研究為生物質顆粒燃料成型機具的設計提供了理論依據,目前,我國自主研發的成型設備已達國際先進水平,2013年,江蘇新能源技術有限公司將3.3×107t固體成型燃料出口至日本,表明我國固體成型燃料已實現規?;a,實現商品化。

  2.1.3固態生物質能源的缺點

  缺點主要有:常用成型設備生產效率低下,原料適應性低,能耗高,設備關鍵部件(如模具)磨損快,因而發展速度相對緩慢。另外,產品標準化程度低,應盡快完善相應生產標準,使產品標準化,同時發展相應的配套設備,如提供部件統一的燃燒爐,以供標準化的成型生物質燃料得以高效率地燃燒。

  2.2液態生物質能源的應用技術

  根據聯合國能源組織的評估,地球的石油儲量正在急劇減少,尋找新型液體燃料已日益受到世界各國的重視??稍偕茉从刑柲?、風能、水能、地熱能和生物質能,生物質是可再生能源中******可以制得液態能源的材料,因此生物質液態能源的發展應是能源戰略發展的重點。利用生物技術,在酶等微生物的作用下,可將某些生物質轉化為生物質乙醇及其他化工原料,也可以利用化學方法制得生物柴油等燃料,可廣泛應用于工農業生產。

  2.2.1生物乙醇的形成機理

  經歐美等國家的長期實踐證明,生物乙醇是替代石油的主要選擇。植物通過光合作用,將太陽能儲存于植物體內,形成生物質能。利用生物技術,將生物質能轉化為生物乙醇,作為能源使用。其循環如圖1所示。理論上,光合作用合成1分子葡萄糖需要6分子CO2,酒精發酵和燃燒共釋放6分子CO2,所以,酒精燃燒并不增加大氣中CO2濃度。工業生產中,首先將糖類降解為酸,并在各種酶的作用下轉變為乙醛及CO2,進而再轉變為乙醇。作為燃料用乙醇,乙醇含量要求達到99.5%,所以生物乙醇的生產過程中對脫水處理要求嚴格。

                       

 

 

2.2.2生物乙醇的生產材料

  生產生物乙醇的材料主要有糖類、淀粉類和纖維木質素類。在原料方面,美國主要采用玉米生產生物乙醇;巴西是全球第二大生物乙醇生產國,幾乎所有生物乙醇都是用甘蔗生產;歐盟以小麥和甜菜為主,中國則以玉米、小麥、木薯為主。

  根據《國家能源科技“十二五”規劃》,2010年,我國燃料乙醇產量為1.69×106t,2015年將再增加3.0×106t。我國人多地少,基本國情決定了利用玉米進行醇化加工生成生物乙醇(又稱為******代生物乙醇)必將陷入“與人爭糧、與糧爭地”的困境。第二代生物乙醇是將秸稈、木材中的纖維素降解進行轉化,目前有濃酸水解、稀酸水解、酶催化水解等方法。這些方法或條件要求苛刻,或效率低、速度慢,或高能耗、不綠色,所以第二代生物乙醇目前還停留在技術研究中試階段??商娲?*****代生物乙醇原材料——玉米的甜高粱、木薯等非糧能源作物,可以較好的生成生物乙醇,又稱為1.5代生物乙醇。

  甜高粱和木薯等可在鹽堿地、沙地等低質土地生長,產量較高,是當前發展燃料乙醇的較好原料。目前,我國生物乙醇生產原料主要依賴陳化糧,成本過高,需要依賴國家補貼。而我國沿海等地區尚有大量低質土地未開發利用,可以發展種植甜高粱等能源作物。清華大學研發的甜高粱連續固體發酵生產乙醇技術具有國際領先水平,將推動中國生物乙醇能源的發展。因此,大力開發鹽堿地、沙地等荒地,研究種植甜高粱等非糧能源作物,將可以有效降低1.5代生物乙醇生產成本,促進產業早日商業化發展。

  生物乙醇的迅猛發展,使得作為原料的農產品的價格與能源價格緊密相連。能源作物價格優勢甚至會使森林草地逐漸變為能源作物的種植地,從而對環境產生不利影響。倪紅艷等研究發現,當乙醇玉米需求占產量比重達到15%時,玉米價格會大幅上漲,同時飼料、工業及食用玉米需求下降幅度也比較大,此時會對我國的糧食安全形成較大壓力。

  若乙醇玉米占用耕地過多,必將影響糧食安全,因此必須尋找其他生物質原料。目前,我國已經形成了“不與人爭糧,不與糧爭地”的基本共識,發展生物乙醇開始向“非糧”原料轉移,充分利用農副產品或其加工剩余物。牟曉紅等以花生殼為原料,用混合菌種發酵法提取生物乙醇,發酵得到的乙醇轉化率為46.06%,乙醇得率為14.65%。于洪久等以不同的處理方式和反應條件提高菊芋生產生物乙醇的生產率。與此同時,以海洋藻類為原料的第三代生物乙醇技術的研發也正在成為能源領域關注的熱點。張志奇等采用發酵法,以海帶為原料,在實驗室中提取了生物乙醇。錢龍等認為,篩選厭氧海藻酸降解菌,并進行基因工程改造,強化乙醇生成途徑,是一種頗有前景的方案。另外,劉政坤通過對甘蔗渣的酶解液進行發酵顯示,滸苔酶解液在還原糖利用率、葡萄糖利用率、乙醇產率方面都比甘蔗渣高。以滸苔為原料發酵生產乙醇展現了良好應用前景。

  2.2.3生物乙醇的應用

  生物乙醇除了做燃料乙醇外,還可以用于工業生產。乙烯是一種重要的化工產品,需求量很大。長期以來,乙烯的生產嚴重依賴于化石能源?;茉次C迫使乙烯的生產選擇新的生產原料,而利用生物乙醇制備乙烯則是一個很好的方向。生昌國等認為,生物乙醇制作乙烯條件溫和,具有勢不可擋的優勢,成本低,綠色環保,是一條可持續發展的化工路線。

  2.2.4生物柴油的生產技術

  生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯。工業上生產生物柴油主要有物理法和化學法。物理法又有混合法和乳化法之分,化學法主要有酯交換反應、高溫熱裂解及酶催化等方法。酯交換反應所需生物質原料要求不高,生產成本相對較低,應用廣泛,工業生產多采用這種方式。但酯交換反應過程存在副產物復雜、可造成二次污染等問題,生物柴油替代燃料模型和反應機理尚不明確,是生物柴油發展的一個瓶頸。但生物柴油在很多方面具有化石柴油所不及的優勢,如潤滑性能,燃燒性能等,是一種可再生清潔能源。

  2.2.5生物柴油的生物質材料

  起初的生物柴油是以油料植物的果實、種子、植物導管乳汁油酯(如大豆、菜籽、棉籽等)及部分含油量較高的野生植物和餐廚垃圾、動物油脂等為原料,通過酯交換反應工藝制成。生物柴油的原料可來自于動、植物油脂,也可來自于各種廢棄食用油、地溝油、化石柴油的回收再利用。我國工業化生產生物柴油主要以菜籽油、棉籽油、烏桕油、木油、茶油和地溝油為原料制備。胡南方地區是我國非糧生物柴油能源植物的分布中心,83.9%以上生物柴油能源植物分布在此。

  近些年又提出了微藻生物柴油,利用海水培養的微藻含油量很高,產量大,生產綠色無污染,已成為生物柴油產業技術研究的熱點。美國是開發微藻生物柴油起步***早的國家。微藻為原料制備生物柴油具有培養周期短、產油效率高、油脂質量好、環保、節省土地,改造空間大等優點。_5微藻易養易收,不與糧食作物、經濟作物爭地,含脂肪酸等生物質能巨大,是新型生物柴油原料油源之一,也是未來生物柴油發展的趨勢之一。國內外微藻生物柴油大多處于試驗階段,制約微藻生產生物柴油工業化的一個重要原因是原料成本高,生物柴油生產成本的75%來自于原料成本,在價格上,利用微藻生產的生物柴油與化石柴油相比沒有優勢。因此,降低微藻產油成本仍是重要的研究方向。

  2.3氣態生物質能源的應用技術

  2.3.1氣態生物質能源的生成機理

  氣態生物質能源生產方法包括生物發酵法、生物質氣化法。生物質在厭氧或缺氧的條件下,添加合適的酶、菌等,便可發酵為沼氣。沼氣的主要成分是甲烷,沼氣的產生是微生物新陳代謝的結果,微生物從生物質材料中吸收能量,生成甲烷、二氧化碳。生產沼氣的原材料主要為秸稈、畜禽糞便等。尹藝冉等對生物能源產生的熱值進行了分析,表明厭氧產甲烷過程更適于水生植物的資源化。

  對生物質進行高溫熱解,即生物質在常壓或加壓的條件下,溫度在700℃甚至更高時,通人適量的氧氣或空氣介質,生物質可熱裂解,生成含有一氧化碳、氫氣、甲烷、CmHn等可燃混合氣體和二氧化碳、氮氣等不可燃氣體。這種氣體稱為生物質燃氣,純化后可以供車輛驅動使用。生物質氣化制氫是由低品位的一次能源(生物質能)向高品位的二次能源(氫能)的高效轉化。

  另外還有等離子體熱解氣化生物質、熔融金屬氣化生物質等新技術,制得的可燃氣體不含焦油,質量優良,但有的能耗很高,或部分生產技術問題未解決,目前仍在研發階段,未規模推廣。

  2.3.2氣態生物質能源的生產設備與工藝

  目前,生物質氣化裝置主要有固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐,熱解氣化爐技術成熟的主要有固定床和流化床2種,工藝分單床工藝和雙床工藝,單床工藝較為簡單,成本低,能耗低,但生成氣體在氣化爐內停留時間過短,焦油裂解不充分,使得生成氣體中所含焦油量大。焦油通常在800℃以上2~3S內即可裂解,因此,提高氣化爐溫度、增加含焦油氣體在氣化爐內停留時間,可進一步減少所得氣體的焦油含量。雙床工藝則增加了一個氣化爐,延長焦油在氣化爐停留時間,使得焦油進一步裂解,但增加的氣化爐需要單獨加熱升溫,由此也增加了能耗,使成本上升。

  2.3.3氣態生物質能源的應用于推廣

  沼氣和天然氣的主要成分都是甲烷,不同在于甲烷含量。沼氣一般含甲烷60%,天然氣為90%,純化至97%即為車用天然氣,因此沼氣純化后可同天然氣相媲美,又稱為生物天然氣,用途廣泛。在國外,生物天然氣用于熱電聯產、汽車燃料均已多年。

  我國生物質氣化產業在應用方面主要為氣化發電農村氣化供氣。沼氣生產工藝簡單,原材料廣泛,因其生產成本低而廣泛的應用于農村生產生活。我國多地農村都建有小型戶用沼氣池,如山東萊西、膠州等地,通過管道和專用沼氣爐進行炊事或取暖。另外,沼氣池中的沼渣還可以肥田,沼液可以用作飼料添加劑等,由此,在增加了農民收入的情況下,又有效減少了農民化肥等的支出。生物質氣化集中供氣技術在我國也被廣泛應用,我國******個生物質氣化集中供氣項目位于山東省桓臺縣東潘村,1994年建成并投產。工業用大型沼氣廠可用于發電、規模供暖,效益可觀。另外,2011年,廣西南寧已進行了車用天然氣的商業化運行。曾中華還探索了將生物質氣化技術應用在工業窯爐中。

  2.3.4氣態生物質能源的缺點

  在氣化過程中,因生物質材料中含有少量的氮(氣化爐中通入空氣作為介質時也會增加含氮量)、硫及部分金屬元素,使氣化產生焦油,從而導致氣化爐或者使用氣態資源的設備管道易被焦油堵塞。雖然可通過提高熱解溫度的方式減少焦油,但又會造成高能耗,增加成本。

  發展生物質液態能源和氣態能源是化石能源替代的戰略重點。氣態能源和液態能源產品中常含有雜質,不利于工農業生產中能源的利用,如焦油等,增加了生物質能源使用成本。目前已有很多研究來提高生物質產品的利用率,如對生物質進行預處理,改變其物理化學性質,從而使各種反應向著有利方向進行,以逐步提高氣態、液態能源的利用效率。

  3總結與展望

  將生物質材料轉化為工農業生產中可直接使用的能源物質,方法主要有物理法、化學法和生物法。物理法主要為粉碎和加熱,工藝簡單,但耗能較高,生物法是進行微生物降解,處理時間相對較長,化學法主要通過與酸或堿的化學反應,相對耗能低,反應快,但工藝相對復雜,副產物復雜。

  生物質能源是綠色、可再生能源,蘊藏量巨大,分布廣泛。只要有陽光照射,綠色植物光合作用就不會停止,生物質能則不會枯竭。生物質能源又是可再生能源中******可以儲存與運輸的能源,這給能源轉換和連續利用帶來方便。我國生物質資源儲量豐富,但有效利用率還很低。

  化石能源正一步步走向枯竭,而我國的能源消費又逐年遞增,2010年中國煤炭消費量已占到全球消費總量的48.3%,能源安全問題已經迫在眉睫?;茉吹募写罅渴褂媒o環境和生態帶來了巨大的影響,近幾年霧霾天氣逐年增多,日益嚴重,十八大報告也已明確提出,要求大力推進生態文明建設,因此,尋找取代化石能源的清潔的、可再生能源刻不容緩,發展生物質能源也是我國促進克霾減排、保護生態環境的有效手段。

  發展生物質能源,不僅可以部分替代化石能源,改善生態環境,更在于生物質能源產業的發展可以形成很長的產業鏈。生物質通常分散于各地,不集中,且與季節、氣候有關,這些因素給生物質原料的集中帶來了不少麻煩。因此,生物質能源的開發與利用,涉及到農業、交通運輸、工業、通信、環保、能源等多行業,使得生物質源材料的種植與養殖、收集、運輸、倉儲、管理等相關行業得以相應發展,各環節都是生物質能源開發利用中必不可少的。因此,生物質能源開發利用必將帶動各產業協同統一發展。

  原材料大量來源于農林畜牧業,生物質資源的利用將是農業經濟一個新的經濟增長點,必將直接帶動農村經濟迅速發展,推動新農村建設的進程。因此,積極發展生物質能源既可以解決國家能源安全問題,又可以有效改善生態環境,還可以為農林畜牧業廢棄物增值,增加經濟收入,催生新的產業鏈,是一個一舉多得的國家戰略。

 

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