CN107674714A - 一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,用于气化炉反应器,包括用于实时监控装置运行状况的监控单元以及从上到下依次连接的气固分离单元、料腿下料单元、平衡卸料单元和自动返床单元;一次未反应完全的粉煤颗粒物经气固分离单元收集后,以类似气溶胶的形式,经过料腿下料单元和平衡卸料单元后到自动返床单元,克服气化炉床层阻力及旋风分离器阻力,自动连续进入气化炉进行二次反应。该全程由监控单元实时监控。与现有技术相比,本发明解决了粉煤加压气化在高温(729℃)、高压(3.4MPaG)和高含尘浓度条件下的连续自动稳定返料难题,简化了复杂的工艺流程,减少了设备故障点,降低了安全隐患。各部位装置结构简单,制造成本低。
Description
技术领域
本发明属于煤气化领域,涉及一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统。
背景技术
煤炭清洁高效利用是解决世界能源供应问题的重要方向。当前粉煤气化正在向大型化、加压、低污染、适应多煤种等方向发展。我国已经将大型粉煤气化技术列入“十三五”国家科技创新规划重大工程。同时,国内在粉煤气化反应技术上已经获得较大进步,出现了航天炉气化、水煤浆气化等优秀的工业技术。作为气化岛核心部件之一的气化炉返料系统,发展一直较为滞后。传统的返料还停留在间歇返料模式,即通过多级中间灰斗逐级间断传递,最后通过蒸汽引射的方法实现返料。各级中间灰斗还需要进行换热降温及压力释放,以适应高温高压工况条件。该方法不仅浪费能量,而且效率低下。中间环节过多,操作繁琐,故障点及危险点也相应增加。
专利公开号为204874423U的实用新型专利《常压循环流化床粉煤气化炉》讲述了一种常压循环流化床粉煤气化炉,包括气化炉、高温环流分离器、返料管和煤气出口。该专利所述气化炉返料系统,未经过阀门直接采用蒸汽引射进入气化炉。该工艺仅局限于常压、温度不高、低含尘浓度的工况下。在高压、高温及高含尘浓度条件下,就会发生旋风分离器堵塞、料腿窜气及设备寿命短等问题,最终粉煤颗粒无法实现返床。
专利公开号为103184077A的发明专利《一种带有飞灰强制回注系统的粉煤气化方法》及公开号为206089592U的实用新型专利《带有飞灰强制回注系统的粉煤气化炉》均讲述了一套两级旋风分离器及其返料系统。该专利所描述的旋风分离器及返料系统属于强制回注,即关键的返料阶段采用了外部引射的方法,利用引射气的外部动能,强制将旋风分离器收下的粉煤颗粒物送回气化炉。该方法不仅增加了外部能量的消耗,操作上又受制于引射气的局限性,还会引起料腿窜气,返料系统稳定性较差。其旋风分离器及料腿等装置的结构设计只能用于中低压(1-2MPa)工况下。而且该系统没有在线监察装置,即在设备发生故障的时候,也难以察觉,最终发现系统故障的时候,已经没有补救措施。
利用粉体颗粒在气固分离后的物理属性以及旋风分离器系统与气化炉系统的工作特点,形成一套能够互相适应、良好配合的连续自动返料系统是业内研究的热点。不仅对高温高压高含尘浓度条件下旋风分离器系统性能提出了考验,还对系统稳定性、安全性提出了挑战。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,用于气化炉,包括用于实时监控装置运行状况的监控单元以及从上到下依次连接的气固分离单元、料腿下料单元、平衡卸料单元和自动返床单元。
一次未反应完全的粉煤颗粒物经气固分离单元收集后,以类似气溶胶的形式,经过料腿下料单元和平衡卸料单元后到自动返床单元,克服气化炉床层阻力,自动连续进入气化炉进行二次反应。该全程由监控单元实时监控。
优选地,所述的气固分离单元为单级高效旋风分离器,所述的单级高效旋风分离器包括:
承压壳体,该承压壳体的底部设有下灰口,上部设有切向入口,顶部设有出口管,所述的下灰口与料腿下料单元连接,承压壳体周向设有感温带,
旋风分离器内模流场,由内置于承压壳体的耐磨隔热衬里包围形成,
出口中心管,该出口中心管顶部通向出口管,并与承压壳体挂接连接,下部伸入旋风分离器内模流场上部。
气化炉跑出的粉煤颗粒物被单级高效旋风分离器器收下。该单级高效旋风分离器能够确保在高温及高压条件下安全连续自动运行,其分离效率≥99.5%。
优选地,所述的料腿下料单元由若干段3~4m长的短管及膨胀节连接形成,短管之间以及短管与膨胀节之间通过配对法兰连接。
高效旋风分离器收集的粉煤颗粒物与部分气体以类似气溶胶的形式进入料腿下料单元,在压力及重力的作用下,自上而下运动。
优选地,所述的平衡卸料单元为高温下料阀,所述的高温下料阀包括耐高温高压外壳以及设置在耐高温高压外壳内并与耐高温高压外壳挂接连接的阀芯,所述的阀芯由阀板和阀板自动启闭组件组成,所述的阀板在阀板两侧压差及阀板配重作用下通过阀板自动启闭组件实现自动启闭,配合料腿下料单元间断下料,防止底流窜气。
优选地,所述的耐高温高压外壳的顶端设有阀门进口,底端设有阀门出口,所述的阀板自动启闭组件包括与阀门进口连接的直管、连接在直管下端的弯管、连接在直管上的抱箍机构和设置在抱箍机构上的转动机构,所述的直管与阀门进口挂接连接,所述的阀板与转动机构连接并与弯管的出口端匹配设置,阀门关闭状态下,阀板与铅垂线的夹角为5~8°。
通过将直管与阀门进口挂接连接,以克服热胀冷缩破坏阀门整体结构,阀门关闭状态下阀板与铅垂线的夹角是专门针对粉煤物料,配合特定的料腿高度做出的选择,5~8°的角度使阀板反应更加灵敏,不会产生因为角度过大而存在无法开启的问题。
优选地,所述的料腿下料单元的总高度通过以下公式计算得到:
式中,H为料封高度,Δpc为气化炉床层阻力,κ为阻力系数,Δpx为气固分离单元阻力,Δpf为阀板重量,ρt为料腿下料单元内物料的密度。
上述料腿下料单元内物质的密度为粉煤颗粒物和部分气体混合后的密度,即气溶胶的密度。
优选地,所述的自动返床单元为一与铅垂钱呈30~35°夹角的返料管,所述的返料管的上端与平衡卸料单元连接,下端用于直接与气化炉连接。
粉煤颗粒物与部分气体以类似气溶胶的形式,克服气化炉床层阻力,自动连续进入气化炉进行二次反应。
优选地,所述的监控单元包括集散控制模块以及分别与集散控制模块连接的多个监测点,所述的监测点包括设置在气固分离单元上的进出口测压点、沿程设置在料腿下料单元上的至少四个料腿测压点、设置在自动返床单元上的一个返料测压点以及设置在平衡卸料单元上的一个卸料测温点,沿程设置在料腿下料单元上的至少四个料腿测压点包括设置在料腿下料单元上部的一个料腿上部测压点、设置在料腿下料单元下部的一个料腿下部测压点、设置在料腿上部测压点下方并在系统正常工作时位于料腿下料单元内物料上方的料腿物料上方测压点以及设置在料腿下部测压点上方并在正常工作时位于料腿下料单元内物料堆积范围内的至少一个物料测压点。
优选地,所述的集散控制模块包括反吹式测压机构、压力变送系统和高压吹扫机构。所述的反吹式测压机构由压力管路和仪表气管路组成,所述的压力管路通过三通与测压点连接,三通与测压点之间设有止逆阀。仪表气管路上设有截止阀和转子流量计,与各测压点连接的仪表气管路通过引压管连接仪表气源,引压管上设有针型阀和压力表。压力变送系统上设有常开式控制阀和压力表,与料腿上部测压点和料腿下部测压点相连的压力表还与压差变送器连接,所述的压差变送器与数据记录仪通讯连接。所述的高压吹扫机构包括与各测压点连接的带常闭式控制阀的高压吹扫管路,所述的高压吹扫管路上设有压力表。
通过监控单元可实时监控整套装置的运行情况,如发生堵塞状况,也可通过监控单元即时疏通。通过监控单元与系统内部通过气体输送传导压力,在堵塞时,可从外部打入高压气体进行疏通。
优选地:
当该系统正常工作时,料腿下部测压点的压力>物料测压点的压力>料腿物料上方测压点的压力=料腿上部测压点的压力,并且物料测压点的压力随高度提升而减少;
除气化炉开车初期外,当设置在料腿下料单元2的测压点的压力相等时,则料腿下料单元2没有建立料封,窜气较严重;
当某物料测压点的压力大于位于其下方的测压点的压力时,则该物料测压点的位置处出现堵塞。
本发明将工程问题(高温、高压、高含尘浓度)和模块性能区分解决。通过承压外壳及相应功能部件的设计来应对高压力带来的安全性问题;通过隔热衬里及感温带部件的设计来应对高温带来的安全性问题;通过耐磨衬里的设计来应对高含尘浓度下的耐磨问题;在旋风分离器性能方面,通过耐磨隔热衬里精准造型来应对内模流场准确性;在高温下料阀性能方面,阀芯部件采用耐高温不锈钢,以确保其在高温下的稳定性;通过上述方法的实施,最终实粉煤加压气化炉连续自动返料方法及装置在高温高压高含尘浓度工况下的安全可靠运行。
与现有技术相比,本发明解决了粉煤加压气化在高温(729℃)、高压(3.4MPaG)和高含尘浓度条件下的连续自动稳定返料难题。简化了复杂的工艺流程,系统工作效率高,减少了设备故障点,降低了安全隐患,各部位装置结构简单,制造成本低,大大减少了一次性投资。
附图说明
图1为本发明的连接示意图;
图2为本发明的单级高效旋风分离器的结构示意图;
图3为本发明的高温下料阀的结构示意图。
图中,1为气固分离单元,1-1为承压壳体,1-2为下灰口,1-3为切向入口,1-4为出口管,1-5为旋风分离器内模流场,1-6为耐磨隔热衬里,1-7为出口中心管,1-8为垫板,1-9为定位支撑板,2为料腿下料单元,3为平衡卸料单元,3-1为耐高温高压外壳,3-2为阀芯,3-2-1为直管,3-2-2为弯管,3-2-3为抱箍机构,3-3-4为转动机构,3-2-5为阀板,4为自动返床单元,5为监控单元,5-1为止逆阀、5-2为压力变送器、5-3为压差变送器、5-4为数据记录仪、5-5为压力表、5-6为针型阀、5-7为截止阀、5-8为转子流量计和5-9为引压管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,如图1所示,用于气化炉反应器,包括用于实时监控装置运行状况的监控单元5以及从上到下依次连接的气固分离单元1、料腿下料单元2、平衡卸料单元3和自动返床单元4。
一次未反应完全的粉煤颗粒物经气固分离单元1收集后,以类似气溶胶的形式,经过料腿下料单元2和平衡卸料单元3后到自动返床单元4,克服气化炉床层阻力,自动连续进入气化炉进行二次反应。该全程由监控单元5实时监控。
本实施例中,气固分离单元1为单级高效旋风分离器,如图2所示,单级高效旋风分离器包括:
承压壳体1-1,该承压壳体1-1的底部设有下灰口1-2,上部设有切向入口1-3,顶部设有出口管1-4,下灰口1-2与料腿下料单元2连接,承压壳体1-1周向设有感温带,
旋风分离器内模流场1-5,由内置于承压壳体1-1的耐磨隔热衬里1-6包围形成,
出口中心管1-7,该出口中心管1-7顶部通向出口管1-4,并与承压壳体1-1挂接连接,下部伸入旋风分离器内模流场1-5上部。
内模流场通过实验室数值模拟及工业热态测试数据优化拟合而成,一般为非规则结构,内模流场的准确性是旋风分离器分离性能的关键因素。本发明可以方便地精确调整耐磨隔热衬里内壁造型,使内模流场造型符合工艺要求,而承压壳体按照压力容器设计即可。本发明的耐磨隔热衬里由衬里材料整体浇筑成型。本实施例的耐磨隔热衬里为双层浇筑结构,由依次设置在承压壳体内壁的隔热衬里和耐磨衬里组成。
出口中心管1-7采用耐高温钢结构,由于该部件为易损件,故而采取与承压壳体挂接连接的形式。出口中心管1-7通过挂接机构与出口管1-4挂接连接,挂接机构包括沿周向设置在出口管1-4内壁的多个垫板1-8及设置在各垫板1-8上的定位支撑板1-9,定位支撑板1-9一端与垫板1-8连接,另一端挂接出口中心管1-7,挂接连接的结构不仅防止了承压壳体导热局部超温,而且有利于旋风分离器出口中心管1-4的更换。本实施中,垫板1-8与出口管1-4之间以及定位支撑板1-9与垫板1-8之间通过焊接连接。
本实施例中,料腿下料单元2由若干段3~4m长的短管及膨胀节连接形成,短管之间以及短管与膨胀节之间通过配对法兰连接。
平衡卸料单元3为高温下料阀,如图3所示,高温下料阀包括耐高温高压外壳3-1以及设置在耐高温高压外壳3-1内并与耐高温高压外壳3-1挂接连接的阀芯3-2,阀芯3-1由阀板3-2-5和阀板自动启闭组件组成,阀板3-2-5在阀板3-2-5两侧压差及阀板3-2-5配重作用下通过阀板自动启闭组件实现自动启闭,配合料腿下料单元2间断下料,防止底流窜气。具体地,耐高温高压外壳3-1的顶端设有阀门进口,底端设有阀门出口,阀板自动启闭组件包括与阀门进口连接的直管3-2-1、连接在直管3-2-1下端的弯管3-2-2、连接在直管3-2-1上的抱箍机构3-2-3和设置在抱箍机构3-2-3上的转动机构3-2-4,直管3-2-1与阀门进口通过类似于旋风分离器出口中心管1-7和出口管1-4的连接方式进行挂接连接,阀板3-2-5与转动机构3-2-4连接并与弯管3-2-2的出口端匹配设置,阀门关闭状态下,阀板3-2-5与铅垂线的夹角α为5~8°。
本实施例中,料腿下料单元2的总高度通过以下公式计算得到:
式中,H为料封高度,Δpc为气化炉床层阻力,κ为阻力系数,Δpx为气固分离单元阻力,Δpf为阀板重量,ρt为料腿下料单元内密度。
本实施例中,自动返床单元4为一返料管,一般地,该返料管与铅垂钱的夹角β呈30~35°,返料管的上端与平衡卸料单元3连接,下端用于直接与气化炉连接。
本实施例中的监控单元5包括集散控制模块以及分别与集散控制模块连接的多个监测点,监测点包括设置在气固分离单元1上的进出口测压点、沿程设置在料腿下料单元2上的至少四个料腿测压点、设置在自动返床单元4上的一个返料测压点以及设置在平衡卸料单元3上的一个卸料测温点,沿程设置在料腿下料单元2上的至少四个料腿测压点包括设置在料腿下料单元上部的一个料腿上部测压点、设置在料腿下料单元下部的一个料腿下部测压点、设置在料腿上部测压点下方并在系统正常工作时位于料腿下料单元内物料上方的料腿物料上方测压点以及设置在料腿下部测压点上方并在正常工作时位于料腿下料单元内物料堆积范围内的至少一个物料测压点。
所述的集散控制模块包括反吹式测压机构、压力变送系统和高压吹扫机构。所述的反吹式测压机构由压力管路和仪表气管路组成,所述的压力管路通过三通与测压点连接,三通与测压点之间设有止逆阀。仪表气管路上设有截止阀和转子流量计,与各测压点连接的仪表气管路通过引压管连接仪表气源,引压管上设有针型阀和压力表。压力变送系统上设有常开式控制阀和压力表,与料腿上部测压点和料腿下部测压点相连的压力表还与压差变送器连接,所述的压差变送器与数据记录仪通讯连接。所述的高压吹扫机构包括与各测压点连接的带常闭式控制阀的高压吹扫管路,所述的高压吹扫管路上设有压力表。当该系统正常工作时,料腿下部测压点的压力>物料测压点的压力>料腿物料上方测压点的压力=料腿上部测压点的压力,并且物料测压点的压力随高度提升而减少;除气化炉开车初期外,当设置在料腿下料单元2的测压点的压力相等时,则料腿下料单元2没有建立料封,窜气较严重;当某物料测压点的压力大于位于其下方的测压点的压力时,则该物料测压点的位置处出现堵塞。例如本实施例中,料腿上部测压点压力为PI1,料腿物料上方测压点压力为PI2,物料测压点设有一个,压力为PI3,料腿下部测压点压力为PI4。则正常工作时,PI4>PI3>PI2=PI1;除气化炉开车初期外,当PI4=PI3=PI2=PI1,则料腿下料单元没有建立料封,窜气较严重;当PI3>PI4时,表明该处出现堵塞。
新奥新能粉煤催化气化炉反应器配备了本发明的粉煤加压气化炉连续自动返料系统。其处理气量为145980Nm3/h,操作压力为3.4MPaG,操作温度为729℃,单级高效旋风分离器入口即气化炉反应器出口浓度为3673g/m3,粉煤平均粒度为d50=55.20μm,粉煤颗粒的真密度为1690kg/m3,堆积密度为180kg/m3。在上述工况下,该系统能长期稳定运行,实现连续自动返料。相对于增设中间储灰罐或引射强制返料的工艺,本发明整体工艺流程更加简单、高效。
在实施过程中,本发明将工程问题高温、高压、高含尘浓度和模块性能区分解决。通过承压外壳及相应功能部件的设计来应对高压力带来的安全性问题;通过隔热衬里及感温带部件的设计来应对高温带来的安全性问题;通过耐磨衬里的设计来应对高含尘浓度下的耐磨问题;在旋风分离器性能方面,通过耐磨隔热衬里精准造型来应对内模流场准确性;在高温下料阀性能方面,阀芯部件采用耐高温不锈钢,阀芯和高温高压外壳挂接连接,以确保其在高温下的稳定性;通过上述方法的实施,最终实粉煤加压气化炉连续自动返料方法及装置在高温高压高含尘浓度工况下的安全可靠运行。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,用于气化炉反应器,其特征在于,包括用于实时监控装置运行状况的监控单元(5)以及从上到下依次连接的气固分离单元(1)、料腿下料单元(2)、平衡卸料单元(3)和自动返床单元(4)。
2.根据权利要求1所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的气固分离单元(1)为单级高效旋风分离器,所述的单级高效旋风分离器包括:
承压壳体(1-1),该承压壳体(1-1)的底部设有下灰口(1-2),上部设有切向入口(1-3),顶部设有出口管(1-4),所述的下灰口(1-2)与料腿下料单元(2)连接,承压壳体(1-1)周向设有感温带,
旋风分离器内模流场(1-5),由内置于承压壳体(1-1)的耐磨隔热衬里(1-6)包围形成,
出口中心管(1-7),该出口中心管(1-7)顶部通向出口管(1-4),并与承压壳体(1-1)顶部挂接连接,下部伸入旋风分离器内模流场(1-5)上部。
3.根据权利要求1所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的料腿下料单元(2)由若干段3~4m长的短管及膨胀节连接形成,短管之间以及短管与膨胀节之间通过配对法兰连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的平衡卸料单元(3)为高温下料阀,所述的高温下料阀包括耐高温高压外壳(3-1)以及设置在耐高温高压外壳(3-1)内并与耐高温高压外壳(3-1)挂接连接的阀芯(3-2),所述的阀芯(3-1)由阀板(3-2-5)和阀板自动启闭组件组成,所述的阀板(3-2-5)在阀板(3-2-5)两侧压差及阀板(3-2-5)配重作用下通过阀板自动启闭组件实现自动启闭,配合料腿下料单元(2)连续间断下料,并防止底流窜气。
5.根据权利要求4所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的耐高温高压外壳(3-1)的顶端设有阀门进口,底端设有阀门出口,所述的阀板自动启闭组件包括与阀门进口连接的直管(3-2-1)、连接在直管(3-2-1)下端的弯管(3-2-2)、连接在直管(3-2-1)上的抱箍机构(3-2-3)和设置在抱箍机构(3-2-3)上的转动机构(3-2-4),所述的直管(3-2-1)与阀门进口挂接连接,所述的阀板(3-2-5)与转动机构(3-2-4)连接并与弯管(3-2-2)的出口端匹配设置,阀门关闭状态下,阀板(3-2-5)与铅垂线的夹角为5~8°。
6.根据权利要求5所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的料腿下料单元(2)的总高度通过以下公式计算得到:
式中,H为料封高度,Δpc为气化炉床层阻力,κ为阻力系数,Δpx为气固分离单元阻力,Δpf为阀板重量,ρt为料腿下料单元内物料的密度。
7.根据权利要求1所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的自动返床单元(4)为一与铅垂钱呈30~35°夹角的返料管,所述的返料管的上端与平衡卸料单元(3)连接,下端用于直接与气化炉连接。
8.根据权利要求1所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的监控单元(5)包括集散控制模块以及分别与集散控制模块连接的多个监测点,所述的监测点包括设置在气固分离单元(1)上的进出口测压点、沿程设置在料腿下料单元(2)上的至少四个料腿测压点、设置在自动返床单元(4)上的一个返料测压点以及设置在平衡卸料单元(3)上的一个卸料阀测温点,沿程设置在料腿下料单元(2)上的至少四个料腿测压点包括设置在料腿下料单元上部的一个料腿上部测压点、设置在料腿下料单元下部的一个料腿下部测压点、设置在料腿上部测压点下方并在系统正常工作时位于料腿下料单元内物料上方的料腿物料上方测压点以及设置在料腿下部测压点上方并在正常工作时位于料腿下料单元内物料堆积范围内的至少一个物料测压点。
9.根据权利要求8所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于,所述的集散控制模块包括反吹式测压机构、压力变送系统和高压吹扫机构。所述的反吹式测压机构由压力管路和仪表气管路组成,所述的压力管路通过三通与测压点连接,三通与测压点之间设有止逆阀(5-1)。仪表气管路上设有截止阀(5-7)和转子流量计(5-8),与各测压点连接的仪表气管路通过引压管(5-9)连接仪表气源,引压管(5-9)上设有针型阀和压力表(5-6)。压力变送系统上设有常开式控制阀和压力表(5-2),与料腿上部测压点和料腿下部测压点相连的压力表(5-2)还与压差变送器(5-3)连接,所述的压差变送器(5-3)与数据记录仪(5-4)通讯连接。所述的高压吹扫机构包括与各测压点连接的带常闭式控制阀的高压吹扫管路,所述的高压吹扫管路上设有压力表(5-5)。
10.根据权利要求8或9所述的一种粉煤加压气化炉连续自动返料系统,其特征在于:
当该系统正常工作时,料腿下部测压点的压力>物料测压点的压力>料腿物料上方测压点的压力=料腿上部测压点的压力,并且物料测压点的压力随高度提升而减少;
除气化炉开车初期外,当设置在料腿下料单元(2)的测压点的压力相等时,则料腿下料单元(2)没有建立料封,窜气较严重;
当某物料测压点的压力大于位于其下方的测压点的压力时,则该物料测压点的位置处出现堵塞。
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