CN109052903A - 含油污泥悬浮态自转除油处置方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及含油污泥悬浮态自转除油处置方法和装置,提供了一种含油污泥悬浮态自转除油处置方法,该方法包括以下步骤:(A)预处理,(B)悬浮态自转除油,以及(C)气液分离及油水回收。还提供了一种含油污泥悬浮态自转除油处置装置。
Description
技术领域
本公开属于石油天然气钻井过程中含油固体废弃物无害化处理技术领域,尤其涉及一种含油污泥悬浮态自转除油处置方法和装置,以实现油田开采区含油污泥的脱油处理。具体地说,本公开提供了一种含油污泥悬浮态自转除油处置方法和装置。
背景技术
石油在开采、炼制、贮运、使用过程中,进入到土壤环境,其速率超过土壤的自我净化速率,便会导致土壤环境的功能失调和质量下降,并通过食物链影响到人类健康。据估计,全球每年约有1×109吨石油及其产品通过各种途径进入地下水、地表水及土壤中,其中我国有60多万吨。有关资料显示,我国部分石油化工区土壤残油高达10000mg/kg,是临界值(200mg/kg)的50多倍,每年新增污染土壤10000吨。因此,为实现油气资源的绿色开采,社会经济的健康可持续发展,亟须开发一种含油土壤的修复方法。
目前对含油污泥采取的修复方法主要有物理方法、化学方法、生物方法。物理方法包括填埋、热解析、超声波、机械分离、冻融法、微波消解法、气相抽提技术、热水洗法等;化学方法包括焚烧法、热裂解、化学淋洗等;生物方法包括植物修复法、微生物修复法和植物-微生物联合修复法。
热解析技术因无需添加处理剂、除油较彻底、可异位还原等优点逐渐成为处理含油污泥的常用手段。中国发明专利CN 201610547026.7、CN201710056325.5公开了通过高温烟气间接加热的热解析处理方法,同时杰瑞环保科技有限公司在SPE-184399-PA(Odor-Treatment Technology for Recovered Hydrocarbons From Oily Waste in a Thermal-Desorption Unit)(热解析装置回收油类污染物中石油烃过程中臭气处理技术)报导其利用类似技术在现场应用的情况。且从2014年至今,中石化四川涪陵页岩气田尝试采用美国NOV公司开发的导热油间接加热的热解析处理装置对现场产生的废弃油基泥浆岩屑进行无害化处理。但在工程应用中该技术一直存在能耗高、废气污染严重、设备稳定性差等问题。
中国发明专利CN201310301064.0公开了一种污染场地的原位热强化气相抽提修复集成装备及应用方法,中国发明专利CN201510813468.7公开了一种有机污染土壤的异位生物堆气相抽提/生物通风修复装置和方法,均为气相抽提技术,该技术是去除非饱和区土壤中挥发性有机物的有效手段,通过注入井向渗流区注入空气,同时利用抽提井产生低压环境,使得土壤中存在于油相、溶解相以及吸附相的有机污染物挥发到气相中,并经抽提井收集到地面尾气处理装置中进行回收或处理。但该技术的应用受到场地土壤性质和污染物种类限制,对于低渗透性污染场地中的半挥发性或难挥发性有机污染物却无能为力,且多数无法异位还原。
中国发明专利申请CN 201210147625.1涉及一种沸腾床渣油加氢外排催化剂的处理方法和装置,基于水热旋流脱附技术,通过(1)调控减粘、(2)旋流脱附分离、(3)油-水-催化剂三相分离及资源化利用三个过程,利用旋转流场的流动剪切力,使吸附油从固体颗粒表面和内部孔洞中脱附分离出来。水热旋流脱附技术用于外排催化剂除油同样在Jian-Ping Li(The enhancement on the waste management of spent hydrotreatingcatalysts for residue oil by a hydrothermal–hydrocyclone process(水热旋流工艺提高渣油加氢废催化剂无害化处理效果的研究),Catalysis Today(今日催化),271(2016),163–171)的文献中进行了报导。中国专利申请CN201710821746.2公开了一种含油外排催化剂处理及分选回用方法和装置,通过(A)外排催化剂旋流洗涤与在线活化、(B)催化剂溶剂旋流自转气提、(C)高活性催化剂气流加速度分选、(D)高活性催化剂旋流再气提与颗粒捕集、以及(E)气体冷却与溶剂冷凝脱除等过程,对催化剂进行油相脱附和分选。上述技术均利用旋流器内的高流动剪切力和催化剂颗粒的高速自转,强化了催化剂颗粒孔隙中油的脱附过程,但上述方法和装置仅针对外排催化剂的除油处理和回用,虽然满足催化剂的处理要求,减少了石油类污染物对环境的污染并回收了部分油相和催化剂,但处理后固相含油率依然大于1质量%,水热旋流脱附技术处理后的固相含油率甚至高于5质量%,无法满足含油污泥无害化处理对固相中矿物油小于0.3质量%的要求。
焚烧法、热裂解法处理费用高、二次污染风险大,且无法回收油相或破坏了原油相体系,造成了资源的严重浪费;生物修复法的修复周期长,且只能针对含油率低于5质量%及以下的土壤,其处理效果受油相类型影响也较大。上述方法均不能同时实现含油污泥高效的资源化和无害化处理。
因此,本领域迫切需要开发出一种高效、环保、节能、工艺流程简单的含油污泥处理方法和装置。
发明内容
本公开提供了一种新颖的含油污泥悬浮态自转除油处置方法和装置,从而解决了现有技术中存在的问题。
本公开所要解决的技术问题是:现有含油污泥处理成本高,工艺复杂,容易形成二次污染,对油相回收效率不高,尤其是难以对土壤颗粒孔隙中携带的油进行高效分离利用,造成资源的浪费。本发明通过调控污泥颗粒的悬浮状态,使其在三维旋转场中保持长时间的自转与公转耦合运动,从而强化液相的脱附,实现含油污泥中有机物的深度脱除。
一方面,本公开提供了一种含油污泥悬浮态自转除油处置方法,该方法包括以下步骤:
(A)预处理:对含油污泥进行预处理,以降低含油污泥的含水量,从而降低污泥的粘度以减小油、水与固体颗粒间的相互作用力,提高污泥颗粒的分散性,以便于在旋流场中的分离;
(B)悬浮态自转除油:使用经加热的气体介质对含油污泥进一步降粘,同时利用气体介质使固体颗粒在三维旋转湍流场中进行公转-自转耦合运动,公转产生的周期振荡离心力完成了气相、液相、固相的分离和富集,脱除了游离水、游离油,自转强化了固相表面油、毛细油和孔隙油的离心脱附,实现了含油污泥中有机物的脱除;以及
(C)气液分离及油水回收:将步骤(B)中得到的含油混合物进行气液分离,气体介质循环,液相混合物实现油、水分离,得到的油和水进行回用或资源化利用,固体颗粒待资源化利用。
在一个优选的实施方式中,在步骤(A)中,所述含油污泥是石油开采、储运和炼制过程中产生的含油污泥。
在另一个优选的实施方式中,在步骤(A)中,使用干燥机或离心甩干机进行预处理,使得含油污泥的含水量降至10质量%或更低。
在另一个优选的实施方式中,在步骤(B)中,气体介质的加热温度范围为100℃~300℃,根据处理对象中含有的有机污染物成分来确定;气体介质包括:低温空气、氮气、氢气、干气、低分气和燃气。
在另一个优选的实施方式中,在步骤(B)中,颗粒在旋流场内自转的转速范围为60,000-200,000rpm。
在另一个优选的实施方式中,在步骤(C)中,液相混合物由油水分离聚结器实现油、水分离;固体颗粒经卸料装置进入泥砂罐待资源化利用。
另一方面,本公开提供了一种含油污泥悬浮态自转除油处置装置,该装置包括:
预处理系统,用于对含油污泥进行预处理,以降低含油污泥的含水量,从而降低污泥的粘度以减小油、水与固体颗粒间的相互作用力,提高污泥颗粒的分散性,以便于在旋流场中的分离;
气体加热系统,用于加热气体介质以对含油污泥进一步降粘;
与预处理系统和气体加热系统连接的悬浮态自转除油系统,用于利用气体介质使固体颗粒在三维旋转湍流场中进行公转-自转耦合运动,公转产生的周期振荡离心力完成了气相、液相、固相的分离和富集,脱除了游离水、游离油,自转强化了固相表面油、毛细油和孔隙油的离心脱附,实现了含油污泥中有机物的脱除;
与悬浮态自转除油系统连接的气液分离系统,用于对得到的含油混合物进行气液分离;
与气液分离系统连接的油水分离系统,用于对液相混合物进行油、水分离;以及
与油水分离系统连接的储存与回收系统,用于对得到的油和水进行回用或资源化利用,固体颗粒待资源化利用。
在一个优选的实施方式中,该装置还包括:与预处理系统连接的进料系统,所述进料系统包括螺杆输料机、链式输料机和带式输料机。
在另一个优选的实施方式中,所述预处理系统包括干燥机和离心甩干机;
所述气体加热系统包括燃烧室,以天然气为介质,用于天然气燃烧产生尾气;
所述悬浮态自转除油系统包括使颗粒保持悬浮态的旋流器;
所述油水分离系统包括油水分离聚结器;
所述储存与回收系统包括储油罐、储水罐和泥沙罐。
在另一个优选的实施方式中,所述悬浮态自转除油系统为1~10级旋流器串联组合,可根据不同处理量需求进行多级并联;其安装组合方式包括旋流器正装、旋流器倒装和旋流器正装与倒装组合。
有益效果:
本发明的方法和装置的主要优点在于:
本发明通过对气量及进料速度的调控,实现了物料颗粒在旋流场悬浮自转,悬浮自转使颗粒在旋流场内的停留时间延长,处理强度得到增加,实现反复强化脱除颗粒表面及孔道内污染物的目的;降低了工艺的操作温度而节约了能耗,且有效提高了处理效果。
附图说明
附图是用以提供对本公开的进一步理解的,它只是构成本说明书的一部分以进一步解释本公开,并不构成对本公开的限制。
图1示出了本发明的一个优选实施方式中的含油污泥悬浮态自转除油处置方法的工艺流程。
图2示出了本发明一个实施例中选用的含油污泥的脱油效果。
图3示出了本发明一个实施例中选用的含油污泥处理前后固体颗粒的粒径分布曲线。
图4示出了本发明一个实施例中含油污泥处理前后热重、热差分曲线。
具体实施方式
本申请的发明人经过广泛而深入的研究后发现,由于含油污泥微细孔道中油相的粘滞阻力比较大,难以从孔隙中脱离出来;通过调控污泥颗粒的悬浮状态,使其在三维旋转场中保持长时间的自转与公转耦合运动,从而强化液相的脱附,可有效提高脱油效率。
基于上述研究及发现,本发明创造性地开发了一种含油污泥悬浮态自转除油处置方法和装置,具有流程简单、易操作、脱油效率高、能耗低等优点,有效解决了现有技术中存在的问题。本发明处理后污泥中矿物油小于0.12质量%,且低能耗、无二次污染、无溶剂添加,不仅实现了含油污泥的减量化、资源化,还解决了含油污泥彻底无害化处理问题。
在本公开的第一方面,提供了一种含油污泥悬浮态自转除油处置方法,该方法包括以下步骤:
(A)预处理:对含油污泥进行预处理以降低含油污泥的含水量,从而降低污泥粘度以减小油、水与固体颗粒间的相互作用力,提高污泥颗粒的分散性,以便于在旋流场中的分离;
(B)悬浮态自转除油:经加热的气体介质可在预处理基础上对含油污泥进一步降粘,同时利用气体介质使固体颗粒在三维旋转湍流场中进行公转-自转耦合运动,公转产生的周期振荡离心力可完成气相、液相、固相的分离和富集,脱除游离水、游离油,高速自转可强化固相表面油、毛细油和孔隙油的离心脱附,最终实现含油污泥中有机物的深度脱除;以及
(C)气液分离及油水回收:将步骤(B)中产生的含油混合物进行气液分离,气体介质循环,液相混合物由油水分离聚结器实现油、水分离,油和水可进行回用或资源化利用,固体颗粒经卸料装置进入泥砂罐待资源化利用。
在本公开中,步骤(A)中针对的处理对象主要包括石油开采、储运、炼制等过程中产生的含油污泥。
在本公开中,步骤(B)中气体介质加热的范围为100~300℃,具体根据处理对象中含有的有机物污染物成分选取。
在本公开中,步骤(B)中的气体介质选用空气(较低温下)、氮气、氢气、干气、低分气、燃气等。
在本公开中,步骤(B)中的悬浮态自转除油通过旋流器结构优化和操作参数的调控实现颗粒在旋流场内呈现悬浮状态,从而延长公转-自转耦合运动状态,颗粒的自转速度为60,000-200,000rpm,产生的离心力有利于含油污泥颗粒表面及孔隙内污染物的脱除。
在本公开的第二方面,提供了一种含油污泥悬浮态自转除油处置装置,该装置包括:进料系统,气体加热系统,预处理系统,悬浮态自转除油系统,气液分离系统,油水分离系统和储存与回收系统,其中:
所述进料系统包括各种形式的螺杆输料机、链式输料机、带式输料机等装置,用于输送含油污泥至悬浮态自转除油系统;
所述气体加热系统以天然气为介质,包括的燃烧室主要用于天然气燃烧产生一定温度的尾气;
所述预处理系统包括干燥机、离心甩干机等可使含油污泥的含水量降至10质量%或更低的装置;若采用干燥机作为预处理系统还有预加热作用;
所述悬浮态自转除油系统由可使颗粒保持悬浮态的旋流器及管道部件等组成;
所述气液分离系统用于对旋流器溢流口流出的含油液体及换热气体介质分离循环;
所述油水分离系统用于对油、水混合物进行分离,以实现油、水的分别资源化回用和无害化处理;
所述储存与回收系统主要包括运输工具、存贮容器、物料堆场等,用于物料、产物等的运输、存储、堆放。
在本公开中,所述悬浮态自转脱油系统为1~10级旋流器串联组合,并可根据不同处理量需求进行多级并联;通过增减旋流器的级数可调节旋流时间,随旋流时间增加岩屑含油率逐渐降低,除油效率逐渐增加,热旋流脱附2~10s,即可使岩屑含油率满足GB 4284-84《农用污泥中污染物控制标准》中≤0.3质量%的要求。
在本公开中,所述悬浮态自转脱油系统的安装组合方式包括旋流器正装、旋流器倒装、旋流器正装与倒装组合等。
以下参看附图。
图1示出了本发明的一个优选实施方式中的含油污泥悬浮态自转除油处置方法的工艺流程。如图1所示,含油污泥由进料系统1输至预处理系统3中,预处理后含油污泥的含水量降至10质量%以下;气体介质进入气体加热系统2加热后,与脱水后的含油污泥一起进入悬浮态自转除油系统4,固体颗粒在旋流器的旋流速度场内呈现公转-高速自转耦合的运动形式,将产生周期脉动的离心力,可强化固体颗粒表面及内部孔道内的污染物脱除;同时,通过对气量及进料速度的调控,实现物料颗粒在旋流场悬浮自转,悬浮转动使颗粒在旋流场内的停留时间延长,处理强度得到增加,实现反复转动进一步强化颗粒表面及孔道内污染物的脱除;经深度脱油的土壤颗粒(泥沙)从最后一级的底流口进入储存与回收系统7,待资源化利用;而脱除得到的液相随气体介质进入气液分离系统5进行分离,气体介质返回至气体加热系统2循环,液相进入油水分离系统6,分离得到的水和基础油(储水、储油)待回用/资源化利用。
实施例
下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是,应该明白,这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明,所有的百分比和份数按重量计。
实施例1:
某中石化油田开采区采油厂,按照本发明方法和装置进行含油污泥除油处理,其具体运作过程及效果描述如下:
1.含油污泥物化性质
1)油泥组分
根据《HJ 637-2012水质石油类和动植物油类的测定红外分光光度法》,用四氯化碳萃取样品,红外分光光度计测定总油;将萃取后的样品烘干、称重,可得样品的含固率、含水率。根据《GB/T 508-85石油产品灰分测定法》,可测试样品的挥发分、固定碳。测得各组分质量百分比如下表1所示。
表1石化落地油泥组分分析
2)油类污染物组成
利用气相色谱-质谱联用仪对油泥有机挥发成分进行测试。实验结果表明,油泥中有机质种类多达128种,主要成分为烷烃、芳烃、酯、酮,另含氮化合物、杂环化合物、卤代烃等,体积百分数如下表2所示。其中,正烷烃较容易被生物降解,在长期残留过程中可完全降解,支链烷烃及多环芳烃次之,而萜烷、甾烷等生物标志物较难生物降解,极性组分,如胶质及沥青质,由于难以生物降解以及生物代谢产物的积累而在土壤中富集,造成污染。
表2含油污泥中有机物分类统计
2.实施过程
参照本发明方法实施,具体如下:
(1)通过进料系统将含油污泥送入预处理系统,预处理系统采用双螺杆干燥机对含油污泥在118℃的条件下加热烘干2.5h,含油污泥含油率由10.24质量%下降至0.97质量%,且物料粘度有明显降低。
(2)气体介质经气体加热系统的电加热炉加热后,携带预处理后的含油污泥进入悬浮态自转脱油系统;旋流器为8级,在旋流场中,颗粒呈现悬浮状态,并进行公转-自转耦合运动,颗粒的自转速度为60,000至200,000rpm,停留时间为2.1s,悬浮态自转可提供高速度场与高强度切应力场,有利于含油污泥颗粒的分散破碎与离心除油。
(3)除油后的污泥排出至储存与回收系统的泥沙罐;液相随气体介质进入气液分离系统的管式换热器进行分离,气体介质返回至气体加热系统的鼓风机循环,液相进入油水分离系统即聚结器,分离的油、水分别由储油罐和储水罐进行储存。
3.实施效果
1)脱油效果
用理论计算得颗粒在旋流器中的停留时间约0.3s,用索氏提取萃取-红外分光的方法,测试从各级旋流器底流口的污泥颗粒含油率,并计算各级相对于原始物料的脱油效率。如图2所示,经过2.1s处理后,污泥颗粒的含油率为0.12质量%,远低于GB 4284-84《农用污泥中污染物控制标准》中对含油率小于0.3质量%的要求,脱油效率达到99.2%。
2)油泥固相粒径分布对比
由激光粒度分析仪测得含油污泥固相颗粒的粒径分布及其统计数值如图3所示,含油污泥固相颗粒粒径根据体积分数分布于0.1~309.52mm,平均值为13.86mm,标准差为20.96mm,除去体积分数的前10%与后10%得粒径分布的主体范围为1.27~31.1mm;根据数量分数粒径分布于0.1~309.52mm,平均值为1.02mm,标准差为0.83mm,除去数量分数的前10%与后10%得粒径分布的主体范围为0.594~1.453mm。据此可知,固相颗粒的粒径分布范围非常广,且粒径≤5mm的小颗粒占比大,体积百分数占比35%,数量百分比占比99%。取经过处理后的油泥固体颗粒测得气粒径与处理前固体颗粒的粒径比较。可知,经过悬浮态自转除油后,含油污泥固体的颗粒粒径总体减小,说明旋流作用具有使油泥固体颗粒破碎的效果,旋流场内的悬浮态自转能强化油相的去除。
3)热重曲线
为说明含油污泥悬浮态自转除油是旋流场作用,而不是单纯的热脱附效应,故挑选合适的预处理温度与旋流场中热空气的温度。选取热差分信号峰值时的118℃作为预处理加热温度,热差分信号出现零值水平阶梯阶段的250℃作为热旋流空气的温度。取处理后的样品作热重分析,与处理前进行对比,如图4所示。处理前在热重分析加热过程中明显出现了质量衰减的峰值,而在处理后质量衰减非常平缓且幅度很小,正好说明了悬浮态自转旋流作用下,油泥中的油分充分脱除,因此处理后的固体在加热下质量衰减的幅度如此之小。
4)设备能耗估算
根据试验过程能耗估算年处理量2万吨的工业应用装置的能耗,各主要用电设备的能耗如下表所示:
综上所述,该技术的实施能有效降低工艺的运行成本,该技术的实施开发了含油污泥无害化处理成套技术,为我国油气开发与利用的可持续、绿色发展提供了新思路。
上述所列的实施例仅仅是本公开的较佳实施例,并非用来限定本公开的实施范围。即凡依据本申请专利范围的内容所作的等效变化和修饰,都应为本公开的技术范畴。
在本公开提及的所有文献都在本申请中引用作为参考,就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解,在阅读了本公开的上述讲授内容之后,本领域技术人员可以对本公开作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种含油污泥悬浮态自转除油处置方法,该方法包括以下步骤:
(A)预处理:对含油污泥进行预处理,以降低含油污泥的含水量,从而降低污泥的粘度以减小油、水与固体颗粒间的相互作用力,提高污泥颗粒的分散性,以便于在旋流场中的分离;
(B)悬浮态自转除油:使用经加热的气体介质对含油污泥进一步降粘,同时利用气体介质使固体颗粒在三维旋转湍流场中进行公转-自转耦合运动,公转产生的周期振荡离心力完成了气相、液相、固相的分离和富集,脱除了游离水、游离油,自转强化了固相表面油、毛细油和孔隙油的离心脱附,实现了含油污泥中有机物的脱除;以及
(C)气液分离及油水回收:将步骤(B)中得到的含油混合物进行气液分离,气体介质循环,液相混合物实现油、水分离,得到的油和水进行回用或资源化利用,固体颗粒待资源化利用。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(A)中,所述含油污泥是石油开采、储运和炼制过程中产生的含油污泥。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(A)中,使用干燥机或离心甩干机进行预处理,使得含油污泥的含水量降至10质量%或更低。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(B)中,气体介质的加热温度范围为100℃~300℃,根据处理对象中含有的有机污染物成分来确定;气体介质包括:低温空气、氮气、氢气、干气、低分气和燃气。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(B)中,颗粒在旋流场内自转的转速范围为60,000-200,000rpm。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤(C)中,液相混合物由油水分离聚结器实现油、水分离;固体颗粒经卸料装置进入泥砂罐待资源化利用。
7.一种含油污泥悬浮态自转除油处置装置,该装置包括:
预处理系统(3),用于对含油污泥进行预处理,以降低含油污泥的含水量,从而降低污泥的粘度以减小油、水与固体颗粒间的相互作用力,提高污泥颗粒的分散性,以便于在旋流场中的分离;
气体加热系统(2),用于加热气体介质以对含油污泥进一步降粘;
与预处理系统(3)和气体加热系统(2)连接的悬浮态自转除油系统(4),用于利用气体介质使固体颗粒在三维旋转湍流场中进行公转-自转耦合运动,公转产生的周期振荡离心力完成了气相、液相、固相的分离和富集,脱除了游离水、游离油,自转强化了固相表面油、毛细油和孔隙油的离心脱附,实现了含油污泥中有机物的脱除;
与悬浮态自转除油系统(4)连接的气液分离系统(5),用于对得到的含油混合物进行气液分离;
与气液分离系统(5)连接的油水分离系统(6),用于对液相混合物进行油、水分离;以及
与油水分离系统(6)连接的储存与回收系统(7),用于对得到的油和水进行回用或资源化利用,固体颗粒待资源化利用。
8.如权利要求7所述的装置,其特征在于,该装置还包括:与预处理系统(3)连接的进料系统(1),所述进料系统(1)包括螺杆输料机、链式输料机和带式输料机。
9.如权利要求7所述的装置,其特征在于,所述预处理系统(3)包括干燥机和离心甩干机;
所述气体加热系统(2)包括燃烧室,以天然气为介质,用于天然气燃烧产生尾气;
所述悬浮态自转除油系统(4)包括使颗粒保持悬浮态的旋流器;
所述油水分离系统(6)包括油水分离聚结器;
所述储存与回收系统(7)包括储油罐、储水罐和泥沙罐。
10.如权利要求7所述的装置,其特征在于,所述悬浮态自转除油系统(4)为1~10级旋流器串联组合,可根据不同处理量需求进行多级并联;其安装组合方式包括旋流器正装、旋流器倒装和旋流器正装与倒装组合。
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