劉 貞 蒲剛清 施於人 閻建明 胡 健
(1.重慶理工大學(xué)工商管理學(xué)院,重慶400054;2.清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所,北京100084)
鋼鐵行業(yè)碳減排情景仿真分析及評(píng)價(jià)研究
劉 貞1,2蒲剛清1施於人1閻建明1胡 健1
(1.重慶理工大學(xué)工商管理學(xué)院,重慶400054;2.清華大學(xué)能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所,北京100084)
我國(guó)鋼鐵行業(yè)碳排放量約為全國(guó)碳排放總量的15%。因此完成鋼鐵行業(yè)碳減排目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳減排總量目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。研究為求解未來(lái)鋼鐵行業(yè)的碳排放總量與碳減排潛力,提出一種基于技術(shù)進(jìn)步與碳減排外部性的情景仿真模型。在不同的技術(shù)進(jìn)步與碳減排外部性情境下,模型綜合考慮節(jié)能減排技術(shù)對(duì)行業(yè)/地區(qū)碳排放的影響,設(shè)計(jì)鎖定、成長(zhǎng)和促進(jìn)三種碳減排情景。最后采用該模型對(duì)重慶市鋼鐵行業(yè)的碳排放總量,碳減排潛力與節(jié)能技改投資成本變化進(jìn)行了情景仿真分析與評(píng)價(jià)。研究表明,為更好地實(shí)現(xiàn)行業(yè)的碳減排目標(biāo),在現(xiàn)有的節(jié)能減排政策環(huán)境下,重慶市鋼鐵行業(yè),需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的推廣;加大技術(shù)推廣投資,用于更多的節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)與推廣,加快節(jié)能減排技術(shù)擴(kuò)散速度,增強(qiáng)行業(yè)碳減排成效;有選擇性的進(jìn)行投入與推廣,提高資金的利用效率,以有限的資金實(shí)現(xiàn)行業(yè)/地區(qū)碳減排成效的最大化。
鋼鐵行業(yè);碳排放;技術(shù)擴(kuò)散;情景設(shè)計(jì);低碳示范城市
鋼鐵行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的支柱產(chǎn)業(yè),同時(shí)也是能源消耗和大氣污染物排放的大戶,是我國(guó)實(shí)行節(jié)能減排的重點(diǎn)行業(yè)。鋼鐵工業(yè)以碳冶金為基礎(chǔ),在國(guó)際鋼鐵工業(yè)中,生產(chǎn)過(guò)程的CO2排放量占全球總量的5% -6%。中國(guó)因處在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的中期,鋼鐵產(chǎn)銷量大,鋼鐵工業(yè)的碳排放約為全國(guó)總排放量的15%[1]。因此完成鋼鐵行業(yè)碳減排目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳減排總量目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。
目前研究碳減排潛力和總量的綜合分析評(píng)價(jià)方法主要分三類,一類是基于能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整的情景分析,如文獻(xiàn)[2]認(rèn)為能源消費(fèi)強(qiáng)度和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是影響區(qū)域碳排放量的重要因素。通過(guò)對(duì)東北地區(qū)能源消費(fèi)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出其碳排放量。一類是基于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的情景分析。如文獻(xiàn)[3]通過(guò)分析認(rèn)為我國(guó)傳統(tǒng)貿(mào)易方式是加工業(yè),這種生產(chǎn)方式帶來(lái)的是“高投入、高消耗、高排放及低附加值”,其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益低于“低投入、低消耗、低污染、高附加值及高效率”的服務(wù)行業(yè)。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)比服務(wù)業(yè)與工業(yè)的碳排放強(qiáng)度,認(rèn)為我國(guó)城市的工業(yè)比重過(guò)高,提高服務(wù)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的比重是降低碳排放強(qiáng)度的有效手段。第三類是基于行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的情景分析。如文獻(xiàn)[5]在研究水泥行業(yè)的低碳技術(shù)成效上,使用各項(xiàng)措施(包括水泥生產(chǎn)工藝的改變和多種節(jié)能技術(shù)使用)對(duì)二氧化碳減排效果及減排成本進(jìn)行推演。
本文在上述文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,提出一種基于技術(shù)替代和碳減排外部性的碳減排情景仿真分析模型。研究設(shè)計(jì)三種碳減排情景,即:鎖定情景、成長(zhǎng)情景與促進(jìn)情景,研究節(jié)能減排技術(shù)在不同的技術(shù)擴(kuò)散情景下對(duì)行業(yè)/地區(qū)碳排放的影響。模型在對(duì)鋼鐵需求量的預(yù)測(cè)上,使用多曲線趨勢(shì)模型進(jìn)行擬合。最后以重慶市鋼鐵行業(yè)作為情景分析案例,對(duì)模型的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
1.1 鋼鐵行業(yè)碳排放計(jì)算
鋼鐵行業(yè)碳排放受活動(dòng)水平(行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量)和排放因子(單位產(chǎn)品的碳排放量)制約。本文基于時(shí)間序列對(duì)鋼鐵行業(yè)活動(dòng)水平的影響與節(jié)能減排技術(shù)擴(kuò)散對(duì)排放因子的影響,提出一種適于技術(shù)擴(kuò)散的碳排放計(jì)量方法。
設(shè)置基準(zhǔn)年,得到基準(zhǔn)年行業(yè)碳排放因子和技術(shù)使用比例,預(yù)測(cè)特定年行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量和技術(shù)使用比率。通過(guò)特定年行業(yè)活動(dòng)水平、基準(zhǔn)年的排放因子及因技術(shù)替代所造成的碳減排量,得到特定年的碳排放總量。
其中,ECO2為特定年行業(yè)碳排放總量,f0為基準(zhǔn)年行業(yè)產(chǎn)品碳排放因子,Pt為特定年行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)總量,E'CO2為特定年使用節(jié)能減排技術(shù)的碳減排量,P'0為基準(zhǔn)年行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量,P't為特定年行業(yè)相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量,St為特定年節(jié)能技術(shù)在行業(yè)中的比例,S0為基準(zhǔn)年節(jié)能技術(shù)在行業(yè)中的比例,F(xiàn)'為使用節(jié)能技術(shù)造成的單位產(chǎn)品減排量。
1.2 基于全生命周期的碳減排外部性計(jì)算
設(shè)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)流程中共有z種產(chǎn)品,其中包含碳減排外部性的單位商品價(jià)格:
其中,α為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)所帶來(lái)的外部收益的變化率。由于各個(gè)商品的碳排放對(duì)于社會(huì)來(lái)說(shuō),其單位收益是相同的。p0為期初碳減排外部性價(jià)格,qz,t為第z種產(chǎn)品的單位碳排放量。
2.1 鋼鐵行業(yè)碳減排途徑
綜合文獻(xiàn)[6-8]對(duì)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排策略的研究,鋼鐵行業(yè)減排主要有四種途徑:①加強(qiáng)行業(yè)/企業(yè)內(nèi)部管理:完善能源監(jiān)管機(jī)構(gòu),監(jiān)管生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)能減排工作的執(zhí)行情況,督促在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中節(jié)能減排工作落實(shí)。②優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu):淘汰落后生產(chǎn)線及生產(chǎn)工藝,提升鋼鐵生產(chǎn)水平。推進(jìn)行業(yè)聯(lián)合重組,使生產(chǎn)更加集中化和現(xiàn)代化。③調(diào)整企業(yè)用能結(jié)構(gòu):使鋼鐵生產(chǎn)由“鐵-轉(zhuǎn)爐-鋼”的生產(chǎn)工藝向“廢鋼-電爐-鋼”的生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)變,降低煤炭的使用。④推進(jìn)節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新及節(jié)能技術(shù)使用:加大對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的投資,推動(dòng)行業(yè)節(jié)能技術(shù)研發(fā)、引進(jìn)與推廣,從生產(chǎn)源頭落實(shí)節(jié)能減排。
在鋼鐵行業(yè)節(jié)能技術(shù)的推廣中,均提到我國(guó)二次能源利用率較低,應(yīng)提高在鋼鐵生產(chǎn)中二次能源的利用,主要涉及在鋼鐵生產(chǎn)中對(duì)余熱、余能及余壓的利用。文獻(xiàn)[9]提到我國(guó)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)的余熱余能回收利用率在30-50%,與日本92%有較大差距,因此二次能源的有效回收利用的潛力很大。
本文參考文獻(xiàn)[10]所提及的主流節(jié)能減排技術(shù),綜合考慮鋼鐵生產(chǎn)工藝中工序耗能比例。選取節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行情景仿真分析,模擬其在不同技術(shù)擴(kuò)散情景下對(duì)行業(yè)/地區(qū)碳排放的影響。
2.2 鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)工序能耗對(duì)比
鋼鐵生產(chǎn)中各生產(chǎn)工序的能耗對(duì)比,可以為節(jié)能技術(shù)的選取提供依據(jù)。文獻(xiàn)[3]給出2005年國(guó)內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)噸鋼可比能耗情況,圖1是各工序在2005年的能耗比例。其中高爐煉鐵工序平均能耗為457 kgce/t鋼,占所有生產(chǎn)工序的53%。并且我國(guó)高爐煉鐵工序與國(guó)外同水平生產(chǎn)工序相比,具有54.3 kgce/t鋼的差異。軋鋼工序由于板帶比低和加工深度不足,工序能耗比國(guó)外低很多,兩者不具有可比性。當(dāng)不考慮國(guó)內(nèi)外軋鋼系統(tǒng)加工深度、成材率和工序能耗方面的差異,我國(guó)噸鋼可比能耗高于國(guó)外64.4 kgce??紤]國(guó)內(nèi)外軋鋼系統(tǒng)的差異并取國(guó)內(nèi)軋鋼工序與國(guó)外相同水平,我國(guó)噸鋼可比能耗高于國(guó)外112.0 kgce。
圖1 鋼鐵生產(chǎn)各工序的能耗結(jié)構(gòu)Fig.1 The proportion of process energy consumption in steel production
2.3 節(jié)能減排技術(shù)選取
在國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)工藝的主流節(jié)能減排技術(shù)中,選取適用于高爐煉鐵及整個(gè)生產(chǎn)流程的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行情景分析。
(1)低熱值高爐煤氣燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)(CCPP)。燃?xì)廨啓C(jī)燃燒做功(發(fā)電),排出的煙氣通過(guò)余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽而做功(發(fā)電)。2007年我國(guó)生鐵產(chǎn)量達(dá)到46 944.63萬(wàn)t,高爐煤氣產(chǎn)生量為6 000億m3,高爐煤氣散放量達(dá)到614億m3,散放率為10.2%,平均每噸鐵散放130.79m3的高爐煤氣[11]。2010年國(guó)內(nèi) CCPP技術(shù)推廣比例達(dá)到10%。此技術(shù)典型項(xiàng)目建設(shè)投資額56 200萬(wàn)元,單位節(jié)能量1 kWh/m3高爐煤氣,項(xiàng)目節(jié)能量達(dá)到9.4億kWh/年,平均每萬(wàn)元節(jié)能6.76 tce。
(2)干式TRT技術(shù)(高爐爐頂余壓余熱發(fā)電技術(shù))以能量回收透平裝置為基礎(chǔ),利用高爐爐頂煤氣的余壓余熱,把煤氣導(dǎo)入透平膨脹機(jī),驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。到2010年我國(guó)高爐使用TRT技術(shù)利用高爐爐頂余壓余熱進(jìn)行發(fā)電達(dá)到100%,干式TRT達(dá)到60%,且使用干式TRT技術(shù)每噸鐵將節(jié)能 50 kwh,約 0.02 tce[12]。工業(yè)和信息化部在鋼鐵企業(yè)干式TRT發(fā)電技術(shù)推廣實(shí)施方案中提到,到2011年底,重點(diǎn)大中型鋼鐵企業(yè)1 000立方米以上高爐配置率將提高到70%,2014年將達(dá)到100%。
(3)高爐鼓風(fēng)除濕技術(shù)采用冷凝法除濕,入熱風(fēng)爐的空隙采用脫濕技術(shù)工藝,將進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)之前的濕空氣先行預(yù)冷,接著將預(yù)冷后的濕空氣通過(guò)表冷器冷卻,使其溫度降低到空氣含濕量對(duì)應(yīng)的飽和溫度以下,濕空氣中的多余飽和量的水分凝結(jié)析出,空氣中的含水量降低。我國(guó)2009年高爐鼓風(fēng)除濕技術(shù)推廣比例<5%,預(yù)計(jì)其在2015年推廣比例將達(dá)到10%。高爐鼓風(fēng)除濕技術(shù)的推廣在2005年的使用比例只有1%左右,而到2020年將達(dá)到20%。
(4)高壓變頻調(diào)速技術(shù)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)或者IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器等技術(shù),實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的高輸出功率(功率因素>0.95),同時(shí)消除對(duì)電網(wǎng)諧波的污染。對(duì)中高壓、大功率風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)電降耗作用明顯,平均節(jié)電率在30%以上[13]。2010年技術(shù)推廣比例為15%,預(yù)測(cè)其在2015年推廣比例將達(dá)到50%,單位節(jié)能0.086 kgce/kWh,到2020年能達(dá)到100%。
2.4 鋼鐵行業(yè)減排情境設(shè)計(jì)
選取典型節(jié)能減排技術(shù),設(shè)置不同情景,模擬在相同技術(shù)擴(kuò)散情景下使用不同節(jié)能減排技術(shù)對(duì)行業(yè)及區(qū)域碳排放影響,以及不同碳排放情景下的投資變化情況。并比較不同情景下,不同節(jié)能減排技術(shù)對(duì)行業(yè)/地區(qū)碳排放和投資的影響?;诖?,提出通過(guò)技術(shù)路徑建立低碳示范城市中,行業(yè)中優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)及優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)組合的建議。
研究設(shè)置了三種情景,①鎖定情景:模擬在特定年份,節(jié)能減排技術(shù)擴(kuò)散比例和基準(zhǔn)年行業(yè)內(nèi)比例相同。②成長(zhǎng)情景:模擬在特定年份,節(jié)能減排技術(shù)擴(kuò)散比例在現(xiàn)有的政策環(huán)境和市場(chǎng)環(huán)境下的擴(kuò)散情況。③促進(jìn)情景:模擬在特定年份,政府加強(qiáng)對(duì)節(jié)能減排技術(shù)的推廣,使得技術(shù)擴(kuò)散程度增強(qiáng)的情況。圖2為情景仿真模擬路線圖。
圖2 情景仿真模型路線圖Fig.2 The route of scene simulation
3.1 重慶市鋼鐵行業(yè)產(chǎn)量預(yù)測(cè)
產(chǎn)量預(yù)測(cè)可以采用數(shù)學(xué)模型法、彈性系數(shù)法,消費(fèi)系數(shù)法、定性消費(fèi)法、非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等方法[14-16]。
研究選取重慶市近17年的鋼材生產(chǎn)量實(shí)際數(shù)據(jù),采用SPSS,進(jìn)行多種模型擬合,得出各模型在曲線擬合時(shí)的擬合優(yōu)度、顯著性檢驗(yàn)值p值及各模型的參數(shù)估計(jì)值。通過(guò)對(duì)各模型的擬合優(yōu)度和顯著性檢驗(yàn)值的比較,選取下式(三次曲線產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型)進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測(cè),表1為相關(guān)產(chǎn)品的預(yù)測(cè)值。
Y=127.541 -4.712x+0.586x2+0.09x3
其中,Y為預(yù)測(cè)值,x為時(shí)間序列。
表1 重慶市鋼材與相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量(萬(wàn)t)Tab.1 Prediction of Steel and related products in Chongqing
3.2 重慶市碳減排情景設(shè)計(jì)
以重慶市鋼鐵行業(yè)作為情景仿真分析對(duì)象,使用產(chǎn)品作為行業(yè)碳排放的活動(dòng)水平,參考選取的節(jié)能減排技術(shù)在全國(guó)的技術(shù)擴(kuò)散情況作為碳排放因子的影響因素,以此來(lái)判斷重慶市鋼鐵行業(yè)應(yīng)用節(jié)能減排技術(shù),在不同的技術(shù)擴(kuò)散情境下行業(yè)/地區(qū)的碳排放變化情況。技術(shù)擴(kuò)散比例選取的因素,將參考已知年份技術(shù)擴(kuò)散比例,采用平均年增長(zhǎng)率對(duì)特定年份的技術(shù)擴(kuò)散比例預(yù)測(cè)。重慶市鋼鐵行業(yè),不同節(jié)能減排在不同的情境設(shè)計(jì)中的結(jié)果如表2。
3.3 重慶市鋼鐵行業(yè)碳減排情景分析評(píng)價(jià)
相同情境下,不同的技術(shù)對(duì)行業(yè)/地區(qū)的碳排放影響不同。不同情境下,相同技術(shù)對(duì)行業(yè)/地區(qū)的碳排放影響也不同。通過(guò)情景仿真得出在相同情境下,不同技術(shù)的碳減排效果與不同情景下,相同技術(shù)的碳減排效果。圖3為各技術(shù)在不同情景下的碳減排潛力分析結(jié)果。
鎖定情景:在這種情景下,因?yàn)楦邏鹤冾l調(diào)速技術(shù)、CCPP、干式TRT技術(shù)和高爐鼓風(fēng)除濕技術(shù)的應(yīng)用比例分別達(dá)到5%、0、28%和1%,總體只能達(dá)到0.83%的碳減排效果,重慶市節(jié)能技改投資成本將為3.6億元。
表2 不同情景設(shè)計(jì)下節(jié)能減排技術(shù)對(duì)行業(yè)碳排放的影響Tab.2 The effect of emission reduction technologies on carbon emissions in different scenarios
圖3 不同情景下碳減排潛力Fig.3 The reduction potential of carbon emission in different scenarios
成長(zhǎng)情景:38.11億元節(jié)能技改總投資,在2020年,四種技術(shù)的使用比例將分別達(dá)到100%、30%、60%和20%。碳減排效果將達(dá)到184.02萬(wàn) t,相對(duì)鎖定情景多減排169.24萬(wàn)t,節(jié)能減排比例將達(dá)到9.6%,節(jié)能減排效果顯著。不過(guò)并不能達(dá)到20%的減排目標(biāo),建議重慶市進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼或政策規(guī)定,進(jìn)一步推廣這幾種節(jié)能減排技術(shù),或者加大對(duì)其他節(jié)能減排技術(shù)的推廣。
促進(jìn)情景:在現(xiàn)有政策環(huán)境中,進(jìn)一步通過(guò)宏觀調(diào)控,提高技能技改投資額度(3.77億元),加速技術(shù)擴(kuò)散速度。各節(jié)能減排技術(shù)分別在成長(zhǎng)情景的基礎(chǔ)上多減排0萬(wàn)t、9.85 萬(wàn) t、8.75 萬(wàn) t和 1.74 萬(wàn) t,合計(jì) 20.29 萬(wàn) t。節(jié)能減排比例也增加到11.53%,增加1.98個(gè)百分點(diǎn)。CCPP和干式TRT技術(shù)在強(qiáng)化情境下,減排效果更加顯著,應(yīng)實(shí)行政策推廣。而高壓變頻調(diào)速技術(shù)的政策強(qiáng)化效果為0,建議維持現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)散政策,優(yōu)先強(qiáng)化其他節(jié)能技術(shù)的擴(kuò)散。
通過(guò)三種情景仿真,對(duì)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行仿真分析,研究各技術(shù)對(duì)行業(yè)/地區(qū)的碳排放影響及節(jié)能技改投資成本變化趨勢(shì)。以重慶市鋼鐵行業(yè)為案例,驗(yàn)證模型的有效性。分析認(rèn)為:重慶市在現(xiàn)有的政策環(huán)境下,應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與推廣;有選擇性的進(jìn)行技術(shù)投資,提高資金利用效率。
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Simulation Analysis and Evaluation on Carbon Reduction Scenarios in Steel Industry
LIU Zhen1,2PU Gang-qing1SHI Yu-ren1YAN Jian-ming1HU Jian1
(1.School of Industry and Business Administration of Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China;2.Energy Environmental and Economic Research Institute of Tsinghua University,Beijing 100084,China)
In China,carbon emissions from iron and steel industry account for 15%of the national total.Therefore,to reduce carbon emission from steel industry is the key to completing the national carbon emission reduction targets.A simulation model of carbon emission reduction was proposed based on technological progress and environmental externality.In different technological progress and production externality scenarios,the model takes into considerations the affect of energy-saving technology on sector/regional carbon reduction emissions.Three carbon emission reduction scenarios were designed,namely:locking scenarios,growth scenarios and promotion scenarios.Finally,the model was used for in simulation analysis and evaluation and evaluation on the carbon reduction emission potential of iron and steel industry in Chongqing.Based on the conclusion,in order to achieve the carbon emission reduction targets in iron and steel industry,①under the current policy environment of carbon emission reduction,energy-saving technology should be developed and applied in iron and steel industry of Chongqing;②the investment in R&D of energy-saving technologies and the diffusion should be enhanced,and the effect of carbon emission reduction be strengthened;③right technologies should be selected for investment and promotion,utilization efficiency of investment be improved and the effect of carbon emission reduction be maximized with limited investment.
steel industry;carbon emissions;technology diffusion;scene design;low-carbon model city
X32
A
1002-2104(2012)03-0077-05
10.3969/j.issn.1002-2104.2012.03.013
2011-11-10
劉貞,博士,副教授,主要研究方向?yàn)榈吞冀?jīng)濟(jì)、可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略。
國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào):71073095);教育部人文社會(huì)科學(xué)研究青年基金(編號(hào):10YJC630161)。
(編輯:常 勇)