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碳中和目标下碳捕集、利用和封存技术的计量检测需求及挑战

磨昕玥 毕哲 范晓辉 蔡冬绿 韦秋叶 王红红 赵鑫蕊

磨昕玥,毕哲,范晓辉,等. 碳中和目标下碳捕集、利用和封存技术的计量检测需求及挑战[J]. 计量科学与技术,2023, 67(9): 3-14 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0249
引用本文: 磨昕玥,毕哲,范晓辉,等. 碳中和目标下碳捕集、利用和封存技术的计量检测需求及挑战[J]. 计量科学与技术,2023, 67(9): 3-14 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0249
MO Xinyue, BI Zhe, FAN Xiaohui, CAI Donglv, WEI Qiuye, WANG Honghong, ZHAO Xinrui. Metrological Requirements and Challenges in Carbon Capture, Utilization and Storage Technologies for Achieving Carbon Neutrality[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(9): 3-14. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0249
Citation: MO Xinyue, BI Zhe, FAN Xiaohui, CAI Donglv, WEI Qiuye, WANG Honghong, ZHAO Xinrui. Metrological Requirements and Challenges in Carbon Capture, Utilization and Storage Technologies for Achieving Carbon Neutrality[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(9): 3-14. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0249

碳中和目标下碳捕集、利用和封存技术的计量检测需求及挑战

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0249
基金项目: 广西壮族自治区市场监督管理局科技计划项目(GXSJKJ2023-6)。
详细信息
    作者简介:

    磨昕玥(1990-),广西壮族自治区计量检测研究院工程师,研究方向:化学计量,邮箱:215010035@qq.com

    通讯作者:

    毕哲(1984-),中国计量科学研究院副研究员,研究方向:环境计量,邮箱:bizh@nim.ac.cn

  • 中图分类号: TB99

Metrological Requirements and Challenges in Carbon Capture, Utilization and Storage Technologies for Achieving Carbon Neutrality

  • 摘要: 在碳中和目标下,碳捕集、利用与封存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)体系作为重要减排手段,未来将以更快的速度和更大的规模在中国部署,并有望被纳入碳交易市场。在此过程中,流量测量、成分测量、二氧化碳泄漏检测、过程控制和效率评估对项目技术成本、运营安全、过程监管和环境将产生重大影响。对各影响因素开展测量和监测将是CCUS监管的关键。计量检测技术可为准确评价CCUS全过程经济性、有效性、持续性、安全性以及碳减排效果,提供可靠的测量方法和可信的数据基础。通过调研国内外CCUS领域计量检测技术进展,分析CCUS各环节面临的计量检测挑战,总结出CCUS发展中的具体计量检测需求,为未来计量检测更好地支持CCUS发展提出了建议。
  • 图  1  碳中和目标下的CCUS技术定义

    Figure  1.  Definition of CCUS technology in the context of carbon neutrality objectives

    图  2  可持续发展情景下的全球能源部门CO2减排措施的贡献占比

    Figure  2.  Proportional contribution of CO2 emissions reduction measures in the global energy sector under the Sustainable Development Scenario

    图  3  全球启动的碳CCS项目数量(截至2022年9月)

    Figure  3.  Number of carbon CCS projects initiated globally as of September 2022

    表  1  CCS相关国际标准

    Table  1.   International standards related to CCS

    序号标准号名称状态
    1ISO/TR 27912:2016Carbon dioxide capture — Carbon dioxide capture systems, technologies and processes发布
    2ISO 27913:2016Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Pipeline transportation systems发布
    3ISO 27914:2017Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Geological storage发布
    4ISO/TR 27915:2017Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Quantification and verification发布
    5ISO 27916:2019Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Carbon dioxide storage using enhanced oil recovery (CO2-EOR)发布
    6ISO 27917:2017Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Vocabulary — Cross cutting terms发布
    7ISO/TR 27918:2018Lifecycle risk management for integrated CCS projects发布
    8ISO 27919-1:2018Carbon dioxide capture — Part 1: Performance evaluation methods for post-combustion CO2 capture integrated with a power plant发布
    9ISO 27919-2:2021Carbon dioxide capture — Part 2: Evaluation procedure to assure and maintain stable performance of post-combustion CO2 capture plant integrated with a power plant发布
    10ISO/TR 27921:2020Carbon dioxide capture, transportation, and geological storage — Cross Cutting Issues — CO2 stream composition发布
    11ISO/TR 27922:2021Carbon dioxide capture — Overview of carbon dioxide capture technologies in the cement industry发布
    12ISO/TR 27923:2022Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Injection operations, infrastructure and monitoring发布
    13ISO/TR 27925:2023Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Cross cutting issues — Flow assurance发布
    14ISO/DIS 27913Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Pipeline transportation systems起草中
    15ISO/AWI 27914Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Geological storage起草中
    16ISO/CD TR 27926Carbon dioxide enhanced oil recovery (CO2-EOR) - Transitioning from EOR to storage起草中
    17ISO/CD 27927Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Key performance parameters and characterization methods of absorption liquids for post-combustion CO2 capture起草中
    18ISO/CD 27928Carbon dioxide capture, transportation and geological storage — Performance evaluation methods for CO2 capture plants connected with CO2 intensive plants起草中
    19ISO/AWI TR 27929Transportation of CO2 by ship起草中
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    表  2  碳捕集方式和捕集技术

    Table  2.   Methods and technologies for carbon capture

    类型分离工业捕集技术
    燃烧前捕集在碳基燃料燃烧前,首先将其化学能从碳中转移出来,然后再将碳(CO或CO2)和携带能量的其他物质(如H2、H2O)进行分离,从而实现碳在燃烧前被捕集。
    如甲烷蒸汽重整(SMR)、整体煤气化联合循环(IGCC)等。
    ①吸附法:通过液体载体(溶剂)或固体载体(吸附剂)对CO2的吸收和吸附以及通过提高温度或降低压力使液体或固体再生;
    ②膜分离法:用气体分离的膜(金属,聚合物或陶瓷材料),不适合燃烧后,最适合高压和高CO2浓度;
    ③低温分馏法:在低温条件下将CO2从其他气体中液化和分离;
    ④脱水和压缩法:适用于高浓度的CO2烟气碳捕集;
    ⑤催化转化法:将催化转化为高附加值化学品。
    ⑥电化学法。
    富氧捕集燃料在纯氧中燃烧,在烟道气中产生高浓度的CO2流,几乎可以运输。
    燃烧后捕集从燃烧后的烟气中分离CO2
    生物能碳捕集与
    封存(BECCS)
    能源作物、剩余农产品和树木,在整个生长过程中从大气中捕获CO2,通过燃烧或转化为生物燃料来提供能量,再将CO2分离的过程。
    直接空气碳捕集(DAC)直接分离大气中已经存在的CO2的过程。
    直接海洋碳捕集(DOC)从海水中直接去除CO2的捕集过程。
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    表  3  CO2捕集的计量检测需求

    Table  3.   Metrological needs for CO2 capture

    序号 计量检测内容 需求
    1 研制相应气体标准物质,校准用于监测杂质的在线、离线分析仪器,用以准确监测吸附剂的降解和捕集性能。气体标准物质应为CO2中的含有特定微量杂质(应包含烟气中未能完全分离的组分,如H2S、NOx等)的气体标准物质。 计量检测技术
    2 研制用于确定CO2参考吸附等温线的标准物质,用以验证吸附剂的碳捕集性能。
    3 研究工艺条件下湿度、流量等测量仪器校准方法。
    4 研究、开发和验证碳捕集过程所需的测量新设备。
    5 建立和维护计量基准、标准装置,为碳排放测量提供量值溯源。
    6 通过比对等能力验证方式,确保由不同仪器或组织对统一目标进行的测量的准确性、溯源性和一致性。
    7 研究碳捕集后烟气排放实时监测方法,特别是对氮氧化物、硫化物的监测,以便实时调控捕获过程参数。
    8 量化碳捕集过程(吸附剂降解等)引起的新污染物排放,例如胺、亚硝胺、气溶胶等。
    9 研究CCUS捕集过程对环境空气的潜在影响,例如,测量胺和亚硝胺在环境空气中的背景水平及浓度变化。
    10 测量和比较不同捕获技术和配置的效率。
    11 分析所捕集CO2中的杂质及不同工艺的杂质之间的交叉反应,以确定净化步骤是否需要满足纯化要求。
    12 支持碳捕集标准化活动。 标准化体系
    13 检测各吸附剂的分解产物,确定其是否会影响所捕集CO2的纯度或导致污染物排放。 合格评定
    14 开展捕集前烟气检测方法研究,确定可能影响吸附剂性能的物质并采取应对措施。
    15 评价收集气体的容器材料造成的杂质的吸附性,筛选出不同应用条件下适宜使用的容器。
    16 减少CO2交易的测量不确定度,以确保贸易结算的公平。 国际互认
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    表  4  CO2运输的计量检测需求

    Table  4.   Metrological needs for CO2 transportation

    序号 计量检测内容 需求
    1 开发适用于不同压力、流量条件下的多相态CO2流量计量仪器设备、标准装置等计量基础设施,保证输送安全性和效益最大化。 计量检测技术
    2 改进状态方程,以支持用于控制操作条件的精确模型的发展。
    3 研制气体标准物质,为运输过程中CO2的成分和纯度测量提供可溯源性,确保测量的准确性和可比性。气体标准物质应为CO2中的含有微量对运输过程影响较大的杂质(如H2O、H2S)的气体标准物质。
    4 建立模拟实际运输条件下的气体泄漏校准场,用以验证监测仪器的准确性、气体选择性、空间分辨率等计量特性。
    5 制定CO2混合气体组分检测标准方法,根据杂质对运输过程的影响,制定关键杂质(如H2O、H2S)的质量分数阈值。这些新的分析方法可为制造满足使用要求的二氧化碳纯度分析仪(离线、在线)提供指导。 标准化体系
    6 制定管道和压力容器腐蚀和开裂的标准试验方法。
    7 评估高压CO2环境下安全壳材料的完整性,以避免管道腐蚀和开裂。 合格评定
    8 使用嗅探和光学气体成像等技术,开发和验证陆地、海洋CO2运输管道泄漏检测技术,以便能够准确有效地监测和定位管道泄漏。
    9 提高CO2流量计量的准确性,实现贸易结算的公平公正。 国际互认
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    表  5  CO2利用的计量检测需求

    Table  5.   Metrological needs for CO2 utilization

    序号 计量检测内容 需求
    1 依据不同行业CO2使用的纯度要求,建立包括检测设备、标准装置和标准物质在内的计量基础设施。气体标准物质组分和浓度应参考GB 1886.228-2016、GB/T 6052-2011、GB/T 23938-2021、T/CIECCPA 022-2023中的具体要求。 计量检测技术
    2 改进CO2流量监测基础设施以支持工艺控制。
    3 制定标准化的方法来量化使用过程中的CO2排放量,以便根据法规进行报告。 标准化体系
    4 针对工厂工艺和设备,开发和验证准确监测CO2泄漏的方法。 合格评定
    5 进行CO2利用生命周期评估,评价CO2最终去向:进入大气或被永久储存。 CO2生命周期评估
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    表  6  CO2封存的计量检测需求

    Table  6.   Metrological needs for CO2 storage

    序号 计量检测内容 需求
    1 建立标准装置,验证流程控制的流量计量,以准确评估CO2存储量。 计量检测技术
    2 精确测量碳储存的环境条件,如温度和压力。
    3 监测注入的CO2在地质结构中的分散情况。
    4 建立精确的状态方程模型,准确描述密度、声速和CO2相,评估CO2年转移量,并验证。
    5 研究CO2长期储存过程中可能发生的物理化学过程,开发气体分析方法和气体标准物质,用以验证有毒泄漏或气体组分的检测结果。用于校准CO2泄漏监测设备的气体标准物质应为氮气中或空气中的不同浓度的CO2气体标准物质。
    6 制定氮、氧和氩等会降低存储容量的永久性气体分析方法和标准物质。气体标准物质应为CO2中的氮、氧和氩等气体标准物质。
    7 提高对包括羽流迁移在内的排放CO2弥散模型的理解和验证,以支持安全评估和CO2排放率计算。
    8 开发海底和地下储存泄漏检测的监测方法,以量化损失并避免潜在的有害泄漏。
    9 开发在线监测存储泄漏的CO2的技术(包括测量设备、测量方法及标准装置等),实现监测的连续性和及时性。
    10 利用卫星数据监测地表变形,识别大规模CO2泄漏。
    11 研究测试长期和短期储存材料的适用性,模拟和监测碳储存技术的寿命。 合格评定
    12 开发不同存贮环境中(陆地或海底)液态CO2的取样技术和纯度分析技术,并进行验证。
    13 支持CO2存储相关的标准化体系建立。 标准化体系
    14 建立CO2流量计量和储量评估的国际互认,以达成国际社会对项目减碳效果的认可。 国际互认
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  • [1] Nguyen H. G. T. , Espinal L. , van Zee R. D. , et al. A reference high-pressure CO2 adsorption isotherm for ammonium ZSM-5 zeolite: results of an interlaboratory study[J]. Adsorption (Boston), 2018, 24(6): 531-539.
    [2] W. Sean McGivern, Huong Giang T, Nguyen Jeffrey A. Manion. Improved Apparatus for Dynamic Column-Breakthrough Measurements Relevant to Direct Air Capture of CO2[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2023, 62(21): 8362-8372.
    [3] Moon H J, Carrillo J M, Leisen J, et al. Understanding the Impacts of Support–Polymer Interactions on the Dynamics of Poly(ethyleneimine) Confined in Mesoporous SBA-15[J]. Journal of the American Chemical Society, 2022, 144(26): 11664-11675. doi: 10.1021/jacs.2c03028
    [4] Han B, Ding X, Yu B, et al. Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks with Cobalt (II)-Phthalocyanine Sites for Efficient Electrocatalytic Carbon Dioxide Reduction[J]. Journal of the American Chemical Society, 2021, 143(18): 7104-7113. doi: 10.1021/jacs.1c02145
    [5] Queen W. L. , Hudson M. R. , Bloch E. D. , et al. Comprehensive study of carbon dioxide adsorption in the metal–organic frameworks M 2 (dobdc) (M = Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn)[J]. Chemical Science, 2014, 5(12): 4569-4581.
    [6] Jahrman E , Nguyen H, Kalanyan B. X-ray Characterization of a Metal-organic Framework During Dehydration and CO2 Adsorption[C]. Denver X-ray Conference, 2023.
    [7] Euramet. Publishable Summary for 21GRD06 MetCCUS Metrology Support for Carbon Capture Utilisation and Storage[EB/OL].https://www.euramet.org/european-metrology-networks/energy-gases/download?tx_eurametfiles_download%5Baction%5D=download&tx_eurametfiles_download%5Bcontroller%5D=File&tx_eurametfiles_download%5Bfiles%5D=47053&tx_eurametfiles_download%5Bidentifier%5D=%252Fdocs%252FEMRP%252FJRP%252FJRP_Summaries_2021%252FGreen_Deal%252F21GRD06_Publishable_Summary.pdf&cHash=5a3dbb460176ea5f97b7d1872a8ee41f.
    [8] Mills C, Chinello G, Henry M. Flow measurement challenges for carbon capture, utilisation and storage[J]. SSRN Electronic Journal, 2022, 8: 102261-102268.
    [9] M. Florjanič, Kristl J. Microbiological Quality Assurance of Purified Water by Ozonization of Storage and Distribution System[J]. Drug Development and Industrial Pharmacy, 2006, 10(32): 1113-1121.
    [10] 李盼盼. 气-液两相CO2流量标准装置控制系统研制[D]. 天津: 天津大学, 2016.
    [11] 王宏超. 二氧化碳流量在线测量[D]. 北京: 华北电力大学, 2018.
    [12] 马俊章. 管输CO2参数优化[D]. 西安: 西安石油大学, 2015.
    [13] 吕家兴, 侯磊, 吴守志, 等. 含气体杂质超临界CO2管道输送特性研究[J]. 天然气化工—C1化学与化工, 2020, 45(5): 77-82.
    [14] 罗积鹏. 4.2~300 K温区热容测量绝热量热装置研制[D]. 北京: 中国科学院大学, 2022.
    [15] 吴其贤. 新型相移干涉法测量超临界流体瞬态热对流特性[D]. 北京: 中国科学院大学, 2021.
    [16] 陈兵, 房启超, 白世星. 含杂质超临界CO2输送管道的停输影响因素[J]. 天然气化工—C1化学与化工, 2020, 45(3): 84-89.
    [17] 陈兵, 肖红亮, 曹双歌. 适合陕北CCUS的含杂质的CO2气源品质指标研究[J]. 天然气化工—C1化学与化工, 2017, 42(3): 63-66.
    [18] 陈兵, 康庆华, 肖红亮. 含杂质CO2管道输送泄漏扩散的数值模拟[J]. 安全与环境工程, 2019, 26(3): 95-100.
    [19] 张成龙, 郝文杰, 胡丽莎, 等. 泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法[J]. 中国地质调查, 2021, 8(4): 92-100. doi: 10.19388/j.zgdzdc.2021.04.10
    [20] 蔡雨娜. CO2泄漏的含水层响应及沿井筒的相变流动特征研究[D]. 北京: 中国科学院大学, 2022.
    [21] 田耕源, 周源, 黄彦平, 等. 超临界二氧化碳容器小尺度泄压喷放实验研究[J]. 核科学与技术, 2020, 8(3): 103-111.
    [22] 王欣, 李少华, 刘瑜, 等. CO2地质封存中储层岩石润湿性测量研究进展[J]. 上海理工大学学报, 2023, 45(3): 205-219.
    [23] 侴爱辉, 张辉, 李虎. 一种高压条件下测定吸附剂静态吸附容量的装置[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(5): 35-37. doi: 10.3969/j.issn.1006-7167.2011.05.011
    [24] 彭雪婷, 吕昊东, 张贤. IPCC AR6报告解读: 全球碳捕集利用与封存(CCUS)技术发展评估[J]. 气候变化研究进展, 2022, 18(5): 11.
    [25] 张凯, 陈掌星, 兰海帆, 等. 碳捕集、利用与封存技术的现状及前景[J]. 特种油气藏, 2023, 30(2): 1-9. doi: 10.3969/j.issn.1006-6535.2023.02.001
    [26] Fu H C, You F, Li H R, et al. CO2 Capture and in situ Catalytic Transformation[J]. Frontiers in Chemistry, 2019, 7: 525. doi: 10.3389/fchem.2019.00525
    [27] Shao B, Zhang Y, Sun Z, et al. CO2 capture and in-situ conversion: recent progresses and perspectives[J]. Green Chemical Engineering, 2022, 3(3): 189-198. doi: 10.1016/j.gce.2021.11.009
    [28] Aleta P, Refaie A, Afshari M, et al. Direct Ocean Capture: The Emergence of Electrochemical Processes for Oceanic Carbon Removal[J/OL]. Energy & Environmental Science, 2023.https://doi.org/10.1039/d3ee01471a.
    [29] 朱炫灿, 葛天舒, 吴俊晔, 等. 吸附法碳捕集技术的规模化应用和挑战[J]. 科学通报, 2021, 66(22): 2861-2877.
    [30] Espinal L, Poster D L, Wong-Ng W, et al. Measurement, standards, and data needs for CO2 capture materials: a critical review[J]. Environ Sci Technol, 2013, 47(21): 11960-11975. doi: 10.1021/es402622q
    [31] Dai N, Shah A. D, Hu L, et al. Measurement of nitrosamine and nitramine formation from NOx reactions with amines during amine-based carbon dioxide capture for postcombustion carbon sequestration[J]. Environ. Sci. Technol, 2012, 46: 9793-9801. doi: 10.1021/es301867b
    [32] Da Silva E. F, Anders K, Booth A. Emissions from CO2 capture plants; an overview[J]. Energy Proc, 2013, 37: 784-790. doi: 10.1016/j.egypro.2013.05.168
    [33] Ning Dai, William A. Mitch. Controlling Nitrosamines, Nitramines, and Amines in Amine-Based CO2 Capture Systems with Continuous Ultraviolet and Ozone Treatment of Wash water[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(14): 8878-8886.
    [34] Nathan A. Fine, Paul T. Nielsen, Gary T. Rochelle. Decomposition of Nitrosamines in CO2 Capture by Aqueous Piperazine or Monoethanolamine[J]. Environmental Science & Technology, 2014, 48(10): 5996-6002.
    [35] 方梦祥, 狄闻韬, 易宁彤, 等. CO2化学吸收系统污染物排放与控制研究进展[J]. 洁净煤技术, 2021, 27(2): 8-16.
    [36] Global CCS Institute. FACT SHEET: TRANSPORTING CO2[Z]. 2018.
    [37] Murugan A, Brown R J C, Wilmot R, et al. Performing Quality Assurance of Carbon Dioxide for Carbon Capture and Storage[J]. Journal of Carbon Research C, 2020, 6(4): 76. doi: 10.3390/c6040076
    [38] 王海峰, 宋小平, 李佳. 采用燃料分析法计量化石燃料燃烧产生的碳排放量[J]. 计量科学与技术, 2023, 67(7): 3-10. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0189
    [39] 田健. 微电网绿色低碳发展的关键技术与应用[J]. 计量科学与技术, 2023, 67(7): 25-33. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0165
    [40] Algae Cultivation for Carbon Capture and Utilization Workshop summary report[Z]. [2017-09-28].https://www.energy.gov/eere/bioenergy/articles/algae-cultivation-carbon-capture-and-utilization-workshop-summary-report.
    [41] Zhang Z , Pan S Y , Li H , et al. Recent advances in carbon dioxide utilization[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 125: 109799.
    [42] 康宇, 崔恒波, 顾积锋. 水泥工业二氧化碳减排工艺技术探讨[J]. 中国水泥, 2023(8): 78-81. doi: 10.3969/j.issn.1671-8321.2023.08.019
    [43] 张荣召, 徐鸿志, 胡冰洁. 二氧化碳基可降解塑料的合成、性能及应用[J]. 塑料, 2022, 51(6): 127-133,151.
    [44] 张振, 邓煜, 张琴芳, 等. 可见光促进二氧化碳参与的羧基化反应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 108-135.
    [45] Alcalde J , Flude S , Wilkinson M , et al. Estimating geological CO2 storage security to deliver on climate mitigation[J]. Nature Communication, 2017, 9(1): 2201.
    [46] Glen N , Hunter L . Measurement challenges for carbon capture and storage[J]. Measurement and Control -London- Institute of Measurement and Control, 2011, 44(3): 81-85.
    [47] IEAGHG. Effects of impurities on geological storage of CO2[C]. Cheltenham, 2011.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-31
  • 录用日期:  2023-10-31
  • 修回日期:  2023-11-06
  • 网络出版日期:  2023-11-16
  • 刊出日期:  2023-09-18

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