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　　跟着中邦碳达峰、碳中和倾向的提出，水泥筑制业的绿色低碳转型成为行业开展的要紧趋向，相干节能降碳合节技艺的研发摆设与利用需求日益急迫。从原料取代、燃料取代、节能提效和碳捕集愚弄4个方面梳理了如今水泥行业依然完成贸易化利用与正处于研发阶段的绿色低碳技艺，综述了各式技艺的碳减排潜力，认识了种种技艺的协同境况效益、推论限度条款等要素。

　　2020年9月22日，习正在第七十五届协同邦大会上揭晓：中邦将抬高邦度自决进献力度，采用愈加有力的策略和门径，CO2排放力求2030年前抵达峰值，勤劳争取2060年前完成碳中和。中邦事全邦上最大的水泥坐蓐邦，水泥行业年CO2排放量逾越12亿t，占天下工业碳排放总量的20%以上，占筑材行业碳排放总量的70%以上；吨水泥熟料的归纳能耗约为108kgce（千克程序煤），碳排放量约为0.8t，此中60%来自碳酸盐原料理解，35%来自燃料燃烧，5%来自电能花消。跟着水泥熟料产量的添补，中邦水泥行业CO 2 排放量一连增加（图1），到2020年抵达13.79亿t，年均增加率约为2.71%。

　　联络工业和消息化部等四部分协同印发的《筑材行业碳达峰奉行计划》，水泥行业的降碳减排是筑材行业以至扫数工业界限完成“双碳”倾向的重心与难点。跟着“双碳”邦度政策的一连深刻，以科技改进驱动的行业绿色低碳转型需求日益急迫。本文从原料取代、燃料取代、节能提效、碳捕集愚弄与封存（CCUS）4个方面编制梳理31项水泥行业依然完成贸易化利用或正处于研发阶段的低碳技艺（图2），认识各式技艺的碳减排潜力、协同境况效益与推论限制条款。

　　碳酸盐原料煅烧理解变成的工业流程排放是水泥筑制业的要紧碳排放原因。工业流程排放无法通过能源编制的零碳化改制完成减排，需求从原料端研究减少或取代碳酸盐原料/熟料用量，同时分身产物的服役功能，该类技艺要紧以100%应用自然矿石的硅酸盐水泥举动减排潜力的计较基准。遵照分别取代对象，可将相干技艺划分为生料取代、熟料取代和水泥效用性取代3个探索宗旨。

　　从坐蓐工艺角度来看，60%的碳排放来自碳酸盐原料理解（CaCO3→CaO+CO2），生料取代技艺采用非碳酸盐原料供应水泥坐蓐所需的CaO，不妨有用低落石灰石理解发作的CO2排放，明显低落水泥坐蓐的碳排放量。

　　电石渣是电石坐蓐乙炔流程中发作的废渣，其要紧因素为Ca(OH)2，可供应水泥熟料坐蓐所需钙质，低落熟料烧成热耗，电石渣取代比抵达70%时可使吨熟料产物碳萍踪低落约391kg，且矿产资源花消、土地占用等境况影响均有所刷新。硅钙渣是碱石灰石烧结法提取高铝粉煤灰流程中发作的固体抛弃物，要紧因素是SiO2、Al2O3、CaO3等，可删除生料配料中石灰石的比例，低落熟料煅烧温度，刷新熟料的易磨性，当生料中硅钙渣取代比为30%驾驭时，吨水泥熟料碳排放会低落约18%，该技艺的利用不妨缓解堆弃打点导致的土地占用和水资源污染等境况题目。钢渣包罗水泥坐蓐的所需的钙质因素，应用钢渣不妨刷新生料的易烧性，低落熟料烧成的煤耗，生料中搭配采用约4%的钢渣不妨使单元熟料CO2排放删除约15kg，完成工业固废资源化愚弄的同时低落矿产资源的花消。

　　坐蓐1t硅酸盐水泥熟料要排放约0.86t的CO 2 ，通过固废等取代熟料低落水泥中的熟料系数可完成碳减排，但中邦水泥熟料系数已达0.678，连接低落的潜力有限，并且或者影响水泥熟料品德。别的，低碳水泥系统基于新型矿物构成取代硅酸盐熟料，删除熟料中钙质含量并低落烧成温度，具备正在不影响筑制质料的环境下完成碳减排的潜力。

　　高贝利特水泥的坐蓐工艺和筑立与古代硅酸盐水泥基础相通，C2S矿物含量约50%~55%，该技艺低落石灰质原料用量并使烧成温度低落约100℃，节减煤耗5%~15%，外面上可完成20%的碳减排量，相干利用案例碳减排效率明显。贝利特-硫铝酸盐水泥（Belite caciumsulfoaluminate ternesite，BCT）正在熟料矿物系统中引入硫硅钙石和硫铝酸钙，烧成温度低落至1250~1300℃驾驭，比拟浅显硅酸盐水泥（ordinary portland cement，OPC）估计节减10%~15%的燃料和电力花消，CO2排放低落30%驾驭。Solidia Cement矿相构成要紧包罗CaO·SiO2(CS)和3CaO·2SiO2(C3S2)，低钙硅酸钙相的变成删除石灰石的用量，使熟料烧成温度低落200℃，吨水泥熟料碳排放比拟OPC水泥低落约245kg。石灰石煅烧粘土水泥（limestone calcined clay，LC3）是基于石灰石和煅烧粘土搀杂的新型三元水泥，愚弄煅烧粘土和石灰石的协同影响，具有与OPC水泥相仿的强度，LC3技艺可低落高达144kg CO2/t的碳排放量，且无需对如今坐蓐线实行麇集型改制。

　　低碳胶凝质料具有水泥的胶凝效用，坐蓐工艺非“两磨一烧”，单元产物CO 2 排放量较水泥有光鲜低落，水泥效用性取代技艺通过该类质料正在混凝土坐蓐中取代水泥组分，不妨从起源上删除水泥用量，完成混凝土坐蓐的低碳转型。

　　现阶段碱饱舞水泥（alkali-activated cement，AAC）是最要紧的低碳胶凝质料，遵照含钙量的分别分为高钙硅铝酸盐质料（矿渣等）和低钙硅铝酸盐质料（粉煤灰等）。碱饱舞矿渣胶凝质料以粒化高炉矿渣（granulated blast furnace slag，GBFS）为原质料，GBFS是通过热化学还原法坐蓐铁的流程中发作的固废，坐蓐碱饱舞矿渣胶凝质料有利于推动工业固废的可轮回愚弄，相较OPC水泥混凝土，碱饱舞矿渣胶凝材摒挡论上避免了碳酸盐理解流程，坐蓐能耗仅为OPC的40%~60%，不妨低落25%~50%的CO2排放量。碱饱舞粉煤灰胶凝质料通过碱饱舞剂化学饱舞粉煤灰制备，相较OPC水泥具有明显的低碳利废上风，与划一抗压强度的混凝土比拟，具有更好的耐侵蚀、抗融冻和抗渗等功能，可低落约32%的CO2排放，缓解固废堆弃导致的土地占用和境况污染等题目。

　　生料取代技艺是水泥筑制业完成工业流程温室气体深度减排的合节，但取代生料存正在含水量高、产地散布会集、因素可控性差等限制要素，导致片面技艺难以正在全区域、全行业大规模推论，需求加紧取代生料的区域化可用性并拓展可愚弄的非碳酸盐钙质原料类型。熟料取代技艺进一步低落熟料系数的空间有限，而新型低碳水泥仍受限于商场范围、研发本钱、工艺央求等限制要素；水泥效用性取代技艺尚处于实行室研发阶段，原料原因丰富导致低碳胶凝质料凝固硬化流程可控性较差，针对分别原因的原料配制出功能相对太平的低碳胶凝质料，是改日技艺推论需求管理的合节题目。模范原料取代技艺的碳减排潜力、协同境况效益及推论限制要素如外1所示。

　　正在熟料煅烧流程因煤等化石燃料燃烧变成的CO2排放约占碳排放总量的35%驾驭，愚弄低碳/零碳燃料统统或片面取代煤举动热源，可完成水泥筑制能源行为碳排放的大幅减少，该类技艺经常遵照煤燃烧情状举动减排量核算的比拟基准。遵照取代燃料的原因，可分为明净（零碳）燃料取代技艺和衍生燃料取代技艺。

　　明净燃料取代技艺旨正在愚弄低碳可再生能源（生物质、氨等）对古代化石燃料实行取代，从而删除熟料煅烧流程中因能源行为变成的CO 2 排放，现阶段要紧明净（零碳）燃料有生物质燃料、氨、氢等。

　　生物质燃料泛指由生物质萃取的固体、液体或气体燃料，具备碳中性的特质，是环球公认的“零排放”绿色能源。相较煤炭，生物质燃料坐蓐水泥能够低落15%~25%的碳排放，现阶段中邦要紧的水泥生物质取代燃料有秸秆、稻壳和木柴废物等。秸秆燃料取代技艺可完成40%的燃料取代率，单元水泥熟料低落约108kg的CO2排放，而且明显删除NOx、SO2、无益废气和废渣的排放。掺氨水泥坐蓐技艺采用绿氨举动水泥坐蓐的取代燃料，外面上煤炭取代率可达20%以上，坐蓐流程中SO2排放低落。氨举动储氢介质燃点高，同体积下液氨所含氢元素是液氢的1.6倍，是环球目前热门的无碳可轮回燃料。氢能技艺外面上能够大比例取代燃煤，乃至完成能源行为CO2的零排放，取代比例抵达20%时，可使吨熟料的碳排放低落约32%，目前邦际上著名水泥公司均正在大举开展氢能技艺，但尚无工业演示级其它利用。

　　衍生燃料取代技艺愚弄含能废物取代化石燃料，低落水泥坐蓐的燃煤应用比例，并避免点燃/填埋等古代抛弃物措置变成的温室气体排放，抵达减污降碳协同效率。 常睹的水泥衍生燃料有糊口垃圾、废轮胎、搀杂工业废物等。

　　垃圾衍生燃料技艺将糊口垃圾和种种工业抛弃物经合适的预打点制成抛弃物衍生燃料（refuse derived fuel，RDF），取代古代化石燃料完成CO2减排，该技艺奉行前后单元熟料的碳萍踪相差10.65kg的CO2 eq（二氧化碳当量），低落约1.38%的碳排放，坐蓐流程中SO2、NOx和PM的排放光鲜低落，且能够将垃圾燃烧发作的二噁英等有毒残留物固定到熟料当中。轮胎衍生燃料技艺可完成10%~30%的化石燃料取代率，废旧轮胎的热值约为30~37MJ/kg，热值较煤炭高且单元热值CO2排放低，氮氧化物的排放及灰分中的重金属含量低落，且该技艺的坐蓐线转移成本相对较低，发展邦度水泥行业绿色转型流程中利用通常。

　　明净（零 碳）燃料取代技艺正在碳减排潜力和协同境况效益方面具有光鲜上风，且合适中邦修筑低碳高服从源系统的政策计划，但现阶段该类技艺普及处于根基探索阶段且取代燃料的比例有限，片面取代燃料属于危境化学品且筑制本钱高贵，需求分身低本钱零碳燃料拓荒并实行成家零碳燃料的流程改制，以完成100%取代古代化石燃料。 衍生燃料取代技艺较发展邦度50%以上取代比率存正在必定差异，如今中邦衍生燃料存正在因素丰富、热量取代率低等题目，片面衍生燃料会惹起熟料中ZnO含量添补，导致水泥强度低落，开发完竣的衍生燃料收储系统，加快高品德预打点技艺的探索以促进衍生燃料高值化愚弄，是水泥行业推论该类技艺后续开展的重心。 模范燃料取代技艺的碳减排潜力、协同境况效益及推论限制要素如外2所示易倍体育。

　　水泥行业约40%的碳排放来自于能源行为，蕴涵煅烧用煤、柴油与坐蓐电耗，节能提效技艺正在不转移用能类型的条件下，通过删除单元产物的能源花消完成碳减排，经常该类技艺的奉行本钱相对较低，要紧遵照《水泥单元产物能源花消限额》中的3级能耗限额等第举动节能降碳量的比拟基准。遵照分别工序，可分为粉磨节能提效、烧成编制节能提效和其他节能提效技艺等。

　　粉磨阶段的能源花消以电能为主，约占水泥筑制总电力花消的80%，碳排放要紧为外购电力相干的间接排放。 粉磨节能提效技艺通过改制升级粉磨筑立完成单元产物电耗低落，从而删除粉磨阶段发作的间接碳排放。

　　古代的生料球磨技艺采用钢球举动介质对物料实行机器研磨，粉磨颗粒亲热球形，有益于熟料煅烧和水泥水化硬化，受限于电耗较高（约20~25kWh/t）且占地面积大，该技艺慢慢被其他粉磨技艺所取代。生料立磨终粉技艺的任务道理是愚弄滚筒外泄的压力将原料碾碎，相较球磨编制，其粉磨效果更高且能耗更低，单元产物电耗约为15~18kWh/t，具有干燥材干强、产物化学因素太平、粒度散布匀称等特质，但并不具备球磨技艺正在坐蓐颗粒形式上的怪异上风。生料辊压机终粉技艺基于高压挤压料层破碎道理，配以合适的打散分级安装，具有更高的粉磨效果，单元产物电耗约为14kWh/t，完成单元水泥熟料低落约1%的CO2排放。辊压机+球磨机的协同粉磨是目前水泥行业较为理思的高效粉磨技艺，辊压机奉行预粉磨打点后采用球磨机终粉，保存粉磨颗粒球形上风，能耗较纯正采用球磨技艺低落，明显提拔粉磨效果的同时低落约43%~50%的电耗，是目前粉磨编制的要紧节能改制宗旨。

　　熟料烧成是水泥行业节能低碳转型聚焦的最要紧症结，该工段进献亲热100%的煤耗和20%~30%的电耗。 烧成编制节能提效技艺盘绕节煤降电实行编制低碳改制，蕴涵窑尾预理解编制优化、反转窑节能升级和新型窑头熟料冷却等技艺宗旨。

　　窑尾预理解编制由预热器旋风筒和理解炉组成。高效低压损六级预理解编制通过刷新各级旋风筒连结管道内的气固换热、抬高各级旋风筒的涣散效果等技艺门径，可完成烧成编制煤耗低落至95kg/t，预理解编制节电1.5kWh/t。高固气比水泥悬浮预热理解技艺添补物料换热器和反映器中的固气比，深化气固两相的换热传质和反映，可完成单元熟料烧成能耗低落5~10kgce/t，删除SO2和NOx等气体排放。反转窑节能改制要紧蕴涵抬高燃烧效果和低落热能损耗2个途径。高效低氮燃烧器通过准确机合参数独揽端口火焰样子，抬高煤粉搀杂效率，完成吨熟料煤耗低落2.5kg，归纳电耗低落2.1kWh，氮氧化物排放低落至318mg/m3。集成模块化窑衬节能技艺以合成原料为根基，愚弄分别质料的导热系数，将各层质料固化正在其各自不妨秉承的温度规模内，可完成单元熟料烧成能耗低落5~20kgce/t，保障反转窑的应用效率和安宁太平性。篦式冷却机是熟料冷却编制的合节筑立，直接相合到熟料烧成阶段的能耗水准。第4代高效篦冷机通过添补固定篦床的面积，加紧二三次供风区域的风量并抬高窑头余热发电风温，相较3代篦冷机具体冷却效果光鲜抬高，可完成吨水泥熟料低落约1.2%的CO2排放。

　　新型干法水泥窑尾废气温度约320℃，冷却熟料发作废气温度约250℃，基于这些含能废气实行发电，通过抬高余热发电效果低落水泥厂外购电量，不妨间接删除CO 2 排放。 水泥窑纯低温余热发电技艺愚弄窑头和窑尾余热汽锅坐蓐的主蒸汽及低压蒸汽进入汽轮机做功，做功后的蒸汽被冷却凝固成水并除氧，之后由给水泵输送至窑头和窑尾余热汽锅坐蓐蒸汽，汽轮机做功策动发电机发电，能够抵达节电降耗和低落水泥坐蓐本钱的方针。 5000t /d的水泥熟料坐蓐线%的归纳能耗，每年删除CO 2 排放量约6万t，节减程序煤约2.5万t，并不妨明显删除 SO 2 和 NO x 的排放。

　　智能化节能提效技艺通过对坐蓐全流程各工艺重心用能筑立能耗数据的及时监测，发掘节能空间并拟订运转刷新门径，从而抬高水泥坐蓐的能源愚弄效果及节能降碳水准。 新型干法水泥窑坐蓐运转节能监控优化编制集成单线对高比特率数字用户线（SHDSL）、紫蜂（ZigBee）等通讯技艺，修筑蕴涵坐蓐现场、中控室、数据中央和数据用户的大范围节能减排监测收集，并遵照这些消息调控坐蓐工艺参数，该技艺利用于4500t/d的新型干法水泥坐蓐线tce/a。 熟料煅烧流程智能优化独揽编制则针对水泥熟料烧成阶段，将人工智能与流程工业流程独揽深度统一，集成以烧成带合节消息丈量为焦点的煅烧工况智能感知技艺，修筑水泥熟料煅烧流程智能独揽编制平台，目前该编制不妨完成吨熟料坐蓐煤耗低落1.0~5.0kg，跟着该技艺天下推论率的抬高，可完成单元熟料归纳能耗进一步降低。

　　粉磨和烧成编制节能提效技艺系统已正在新投筑企业通常采用，这类技艺的节能降碳效率不妨彼此集成，完成技艺碳减排潜力的效应叠加且不受时节/地区限度，但该类技艺奉行经常需求对原有坐蓐线实行停机改制，多量的时期本钱加入，正在必定水准上限度了该类技艺的急速推论，需求采用合适的财富策略或地方政府策略加以指点和援手。而余热接纳发电技艺简直已统统遮盖中邦5000t/d及以上范围的水泥坐蓐线，若非展示推翻性技艺改革，该类技艺碳减排潜力的进一步抬高存正在瓶颈。智能化节能提效技艺则不妨集成其他碳减排技艺施展降碳节能影响，稀少界定其节能减排效率和经济效益较为难题，但跟着该类技艺投资本钱题目的渐渐刷新，将有助于从具体上抬高水泥行业的能效、低落能耗和CO2排放。模范节能提效技艺的碳减排潜力、协同环 境 效益及推论限制要素睹外3。

　　Tan等预测纵使原料取代、燃料取代及节能提效等技艺完成了大规模推论，正在已有技艺认知下中邦水泥筑制业至2060年仍有1亿~2亿t的CO2排放难以统统减少。CCUS技艺通过对发作CO2的捕集完成难减碳排放的最终取消，但该技艺的利用需求研究奈何对捕集的CO2实行愚弄或封存，以防卫其再次排放到大气中，经常遵照捕集CO2量与为捕集CO2格外变成的碳排放之间的差值来量度碳减排效率。遵照技艺症结，该类技艺可分为CO2捕集和CO2愚弄两类。

　　邦际能源署（IEA）揭橥的《环球水泥低碳技艺道途年，水泥筑制业需求通过碳捕集技艺完成约48%的碳减排量。 该类技艺能够将CO 2 从水泥坐蓐流程排放的废气平分离捕集，要紧分为直接捕集技艺和捕集条款营制技艺。

　　化学汲取技艺利东西有采选性汲取特质的化学溶剂对水泥坐蓐排放的CO2实行汲取，并正在高温条款下对富集液实行解析涣散，该技艺成熟度较高，能够完成工业级以上纯度的液态CO2捕集。变压吸附技艺正在分别分压条款下愚弄吸附剂对CO2实行物理吸附解吸，相较古代物理吸附技艺，其吸附容量有所提拔，捕集纯度达40%~60%，相较化学汲取技艺具有投资本钱少、占地面积小等上风。富氧燃烧技艺采用高含氧量气体实行助燃，抬高燃料的燃尽率，坐蓐单元熟料归纳能耗可低落约6kgce/t，排放烟气中CO2含量抵达90%以上，是一种碳捕集条款营制技艺。外燃式旋窑碳捕集技艺遵照捕集CO2量的央求，将原来送入预热器下料管的生料，分出必定量送入外燃式高温煅烧反转窑平分解，该技艺针对碳酸盐理解流程发作的CO2营制捕集境况，实用于新筑坐蓐线愚弄技艺

　　封存和愚弄是捕集CO 2 的2种下逛措置手腕，现阶段封存技艺尚且无法保障永恒积蓄并存正在泄漏危险。 CO 2 愚弄技艺则通过将捕集CO 2 利用到水泥坐蓐编制或其他产物编制，规避碳封存的安宁隐患并完成二氧化碳资源化轮回愚弄。钙轮回技艺以钙基质料做吸附剂，基于CaO碳化和CaCO3理解反映实行轮回吸附脱附，失活吸附剂将举动水泥坐蓐的原料，完成捕集CO2的轮回愚弄。CO2养护混凝土技艺将CO2介入水泥基质料水化尚未实现阶段，既能够宽裕愚弄捕集的CO2，又不妨加快混凝土的水化硬化流程。正在其他编制愚弄捕集CO2方面，蒙西水泥集团CO2聚集物坐蓐线举动全降解塑料坐蓐的原料；拉法基豪瑞集团修筑的CCUS项目将水泥坐蓐流程中捕集的CO2用于农业坐蓐，每年加入应用的CO2高达70万t。

　　CO 2 捕集技艺现阶段正在水泥行业处于中试或工业演示低级阶段，该类技艺奉行需求添补新的工艺及筑立，技艺奉行本钱较高，而CO 2 愚弄技艺尚处于研发阶段或中试阶段，且目前捕捉的CO 2 下逛商场需求不敷，以致捕集CO 2 的愚弄率较低。 如今CCUS技艺面对经济、商场、技艺和策略等众方面的限制，要完成范围化开展尚存正在较众阻力。 于是，改日水泥行业需求着重加紧针对CCUS技艺的定向探索并管理技艺运转本钱偏高的题目，同时分身基于中邦水泥企业坐蓐数据、源汇成家和经济效益等要素编制性地探索CCUS技艺的碳减排潜力，从而清楚水泥企业发展CCUS技艺的可行性。5

　　水泥筑制业举动能源麇集型财富，正在“双碳”倾向的驱动下，急迫需求相干低碳水泥技艺的研发摆设与利用推论，以支柱行业的绿色低碳转型。基于水泥行业如今温室气体排放的要紧原因，从原料取代、燃料取代、节能提效和CCUS4个方面编制梳理了电石渣原料取代、秸秆燃料取代、水泥协同粉磨等31项绿色低碳技艺，认识了各式技艺的碳减排潜力，并计划其协同境况效益、推论限制条款等要素。结果显示，本文计划的模范技艺均具有必定的碳减排潜力，且片面技艺兼具缓解矿产资源花消、低落污染物排放等协同效益，但同时也或者存正在影响水泥产物功能、商场范围较小或奉行本钱过上等限度技艺正在短时期内大范围商场利用的要素。目前，原料取代技艺开展成熟度较高，但存正在原料原因丰富等限度，尚不具备所有取代古代熟料/水泥的条款；燃料取代技艺开展滞后于邦际水准，热取代率比拟邦际优秀水准仍有差异，改日变成成熟的取代燃料征求、分类、加工财富将希望大幅度低落水泥坐蓐的碳排放；节能提效技艺开展已处于邦际优秀水准，改日加大技艺普及，将成为水泥行业碳达峰的紧急支柱；而CCUS技艺普及处于中试或演示阶段，但跟着技艺成熟与范围化效应出现，CCUS的减排本钱慢慢低落，将成为水泥行业完成中远期碳中和倾向的焦点技艺之一。

　　基于现有技艺发出现状，预测水泥行业完成“双碳”的倾向。面向2030年碳达峰需求，对现有工艺筑立实行升级改制，抬高粉磨、烧成等症结的能源愚弄效果，是分身研究经济开展与减排倾向的有用途径。面向2060年碳中和前景倾向，水泥行业深度减排的技艺攻合应从原料、燃料、流程、捕集四端发力，分身技艺本钱、协同境况效益、奉行危险等众维要素，从短期与中永恒、具体与片面的角度探寻众倾向最优的技艺组合与开展途途。别的，针对推翻性技艺的实时发掘与已有技艺开展的跟踪评估，拓宽水泥绿色低碳技艺的评估维度，修筑包罗技艺开展水准，技艺减排潜力，技艺协同效益、技艺奉行危险等众维度的技艺评估系统，将愈加有利于为水泥行业绿色低碳转型流程中的技艺选择与途途计划供应提倡与支柱。

　　作家简介：沈鸿海，北京工业大学质料与筑制学部，硕士探索生，探索宗旨为质料人命周期评议与生态打算 ；刘宇（通讯作家），北京工业大学质料与筑制学部，副教员，探索宗旨为人命周期评议。

　　原文公告于《科技导报》2024年第4期，接待订阅查看。实质为【科技导报】大众号原创，接待转载白名单恢复后台「转载」

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