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      船舶動(dòng)力系統(tǒng)向“綠”而行

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      LNG強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)來(lái)創(chuàng)獨(dú)優(yōu)勢(shì)運(yùn)術(shù)戰(zhàn)

      在浩瀚無(wú)垠的海洋之上,船舶宛如靈動(dòng)的紐帶,將世界的各個(gè)角落緊密相連。長(zhǎng)久以來(lái),傳統(tǒng)燃油在推動(dòng)船舶破浪前行的同時(shí),也悄然給環(huán)境套上了沉重的枷鎖。船舶尾氣中肆意排放的二氧化碳、硫氧化物和顆粒物,如同一把把利刃,無(wú)情地破壞著海洋生態(tài)與大氣環(huán)境。

      時(shí)代浪潮奔涌向前,全球環(huán)境保護(hù)意識(shí)不斷覺(jué)醒,一場(chǎng)關(guān)乎船舶動(dòng)力系統(tǒng)的綠色變革,如同破曉的曙光,在碧波之上徐徐展開。工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)展改革委等五部門聯(lián)合頒布的《船舶制造業(yè)綠色發(fā)展行動(dòng)綱要(2024—2030年)》明確提出,要加快船舶綠色動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用,實(shí)施船舶動(dòng)力創(chuàng)新工程。提升傳統(tǒng)燃油、液化天然氣(LNG)船用發(fā)動(dòng)機(jī)效率,穩(wěn)步擴(kuò)大LNG船用發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模;推進(jìn)甲醇、氨燃料等低碳、零碳燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)攻關(guān),形成全功率譜系甲醇和氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研制能力,實(shí)現(xiàn)規(guī)模示范效應(yīng);積極穩(wěn)妥擴(kuò)大燃料電池、動(dòng)力電池在船舶的應(yīng)用范圍;兼顧液化石油氣(LPG)、生物柴油、乙醇等燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展,開展氫燃料船用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研發(fā),滿足航運(yùn)市場(chǎng)多元化綠色低碳發(fā)展需求。

      這場(chǎng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的綠色變革絕非空談,而是實(shí)實(shí)在在地聚焦于燃料革新與技術(shù)突破。當(dāng)環(huán)保需求與航運(yùn)發(fā)展的天平亟待重新平衡,哪些新型燃料能夠扛起船舶動(dòng)力變革的大旗?它們又將如何在實(shí)際應(yīng)用中改寫船舶航行的“動(dòng)力密碼”?讓我們一同深入了解LNG、甲醇、氨燃料、燃料電池等新一代船用能源,揭開它們?yōu)榫G色航運(yùn)未來(lái)點(diǎn)亮希望之光的奧秘。

      LNG

      LNG,即液化天然氣,是在-162℃超低溫環(huán)境下液化的天然氣,呈無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性的液態(tài)。液化后其體積僅為氣態(tài)時(shí)的1/600,這一特性極大提升了天然氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸便利性,顯著提高了能源利用效率。

      作為清潔的化石燃料,天然氣的主要成分甲烷(CH4)在燃燒時(shí),主要生成二氧化碳和水。與傳統(tǒng)燃油相比,LNG的二氧化碳排放量銳減約25%,同時(shí)幾乎不產(chǎn)生硫氧化物(SOX)和顆粒物。這種突出的環(huán)保優(yōu)勢(shì),使其成為船舶動(dòng)力系統(tǒng)綠色變革的理想選擇。

      從大型集裝箱船到LNG運(yùn)輸船,再到短途渡輪與內(nèi)河航運(yùn)船舶,LNG動(dòng)力在航運(yùn)各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展深化,展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力與廣闊的發(fā)展前景。

      越來(lái)越多的大型集裝箱船開始采用LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。2025年4月,中國(guó)船舶集團(tuán)旗下滬東中華為法國(guó)航運(yùn)巨頭達(dá)飛集團(tuán)(CMA CGM)成功交付全球最大24000TEU級(jí)LNG雙燃料集裝箱船“達(dá)飛塞納河”號(hào),這艘海上巨輪不僅可容納23876個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱,更配備18600立方米超大容量LNG燃料艙,單次續(xù)航里程近2萬(wàn)海里,相當(dāng)于繞地球赤道近一圈。同年2月,達(dá)飛集團(tuán)與中國(guó)船舶集團(tuán)旗下江南造船簽訂12艘18000TEU級(jí)LNG雙燃料集裝箱船訂單,充分彰顯了行業(yè)對(duì)LNG動(dòng)力船舶的堅(jiān)定信心。

      LNG運(yùn)輸船憑借能源自給自足的獨(dú)特設(shè)計(jì),將裝載的LNG既作為運(yùn)輸貨物,又用作動(dòng)力燃料,提升了船舶運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性,有效降低了對(duì)傳統(tǒng)燃油的依賴。2023年9月,滬東中華自主研發(fā)的27.1萬(wàn)立方米超大型LNG運(yùn)輸船,獲得美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、挪威、中國(guó)五大船級(jí)社頒發(fā)的原則性認(rèn)可(AiP)證書,單船可運(yùn)輸1.55億立方米天然氣,滿足470萬(wàn)戶家庭一個(gè)月的用氣。

      在短途渡輪與內(nèi)河航運(yùn)的綠色變革進(jìn)程中,LNG動(dòng)力船舶同樣展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。作為中國(guó)內(nèi)河航運(yùn)綠色變革的先行者,武漢輪渡302號(hào)早在2010年便完成試航,成為國(guó)內(nèi)首艘LNG-柴油雙燃料動(dòng)力船。運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示,該船在航行過(guò)程中LNG替代率高達(dá)66%~80%,硫氧化物排放量驟減70%,氮氧化物排放量降低35%~40%, 同時(shí)燃料成本節(jié)省達(dá)20%。這艘“綠色先鋒”以顯著的環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),驗(yàn)證了LNG動(dòng)力在內(nèi)河船舶領(lǐng)域的可行性,為我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)的低碳化變革提供了極具價(jià)值的實(shí)踐樣本與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

      在享受其環(huán)保與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的同時(shí),我們也需正視LNG動(dòng)力的潛在風(fēng)險(xiǎn)——作為L(zhǎng)NG主要成分的甲烷,既是清潔燃料的核心,也是極具破壞力的溫室氣體,其溫室效應(yīng)是二氧化碳的84倍。這使得LNG在生產(chǎn)、運(yùn)輸及船舶使用全生命周期中,一旦發(fā)生氣體泄漏,將對(duì)全球氣候造成不可小覷的負(fù)面影響。因此,如何有效控制甲烷逃逸是LNG動(dòng)力船舶面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。

      與此同時(shí),加注設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的不完善成為制約LNG動(dòng)力船舶發(fā)展的另一道屏障。相較于遍布全球港口的傳統(tǒng)燃油補(bǔ)給點(diǎn),當(dāng)前僅有少數(shù)港口具備LNG加注能力。這種基礎(chǔ)設(shè)施的缺口,不僅增加了船舶運(yùn)營(yíng)的復(fù)雜性與成本,更限制了航線規(guī)劃的靈活性。因此,加速LNG加注站建設(shè),完善從氣源供應(yīng)到終端使用的全鏈條服務(wù)體系,已成為推動(dòng)LNG動(dòng)力船舶廣泛應(yīng)用、釋放綠色航運(yùn)潛力的當(dāng)務(wù)之急。


      全球首艘甲醇動(dòng)力集裝箱船“Laura Maersk”號(hào)于2023年9月交付。 圖/Maersk

      勢(shì)

      甲醇作為新一代清潔船用燃料,憑借突出的環(huán)保特性與安全優(yōu)勢(shì),成為船舶動(dòng)力領(lǐng)域的革新力量。從環(huán)保層面來(lái)看,甲醇在燃燒過(guò)程中主要生成二氧化碳和水,幾乎不產(chǎn)生硫氧化物與顆粒物,氮氧化物(NOX)排放量也低于傳統(tǒng)燃油。在安全性方面,甲醇的閃點(diǎn)為11℃,屬于中閃點(diǎn)液體,相較于汽油等易燃易爆燃料,具有更低的自燃風(fēng)險(xiǎn)。

      甲醇燃料憑借環(huán)保與安全的雙重優(yōu)勢(shì),從理論構(gòu)想走向產(chǎn)業(yè)實(shí)踐已具備堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2023年9月,全球首艘甲醇動(dòng)力集裝箱船“Laura Maersk”號(hào)成功交付。這艘由馬士基訂造的船舶標(biāo)志著甲醇動(dòng)力正式登上船舶動(dòng)力的舞臺(tái)。該船采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī),能夠同時(shí)使用甲醇和傳統(tǒng)燃油,投入運(yùn)營(yíng)后,每日能夠減少100噸碳排放,有力推動(dòng)了航運(yùn)業(yè)的綠色變革進(jìn)程。

      我國(guó)在甲醇動(dòng)力船舶領(lǐng)域同樣成果斐然。2025年2月,我國(guó)首艘大型甲醇集裝箱船“中遠(yuǎn)海運(yùn)洋浦”輪驚艷亮相。該船創(chuàng)新性地采用純甲醇模式驅(qū)動(dòng),具備強(qiáng)大的續(xù)航能力,可輕松跨太平洋航行。尤為引人矚目的是,在船舶的全生命周期中,其碳減排幅度高達(dá)95%。

      甲醇動(dòng)力船舶技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨諸多亟待攻克的難關(guān)。甲醇自身帶有一定腐蝕性,一旦與船舶的燃料系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件長(zhǎng)期接觸,極有可能造成設(shè)備腐蝕,縮短其正常使用壽命。從腐蝕原理來(lái)看,甲醇在特定條件下會(huì)與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng),例如與鋁反應(yīng)生成具有強(qiáng)腐蝕性的甲醇鋁,從而加速金屬的損耗。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn),科研人員與船舶制造企業(yè)正積極探索解決方案,一方面研發(fā)諸如聚氨酯、環(huán)氧樹脂等高性能防腐涂層,通過(guò)在金屬表面形成致密防護(hù)層,隔絕甲醇與金屬的直接接觸;另一方面則嘗試采用新型合金材料,像在鋁中添加銅、鎂等元素制成的鋁鎂合金,在甲醇環(huán)境中展現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能,有望從材料源頭提升設(shè)備的抗腐蝕能力。

      甲醇的能量密度相對(duì)較低,約為19.7MJ/L,低于傳統(tǒng)燃油,這意味著甲醇動(dòng)力船舶需要更大的燃料艙來(lái)滿足相同的續(xù)航里程要求。因此,如何優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)、提高燃料利用效率,是甲醇動(dòng)力船舶需要解決的重要問(wèn)題之一。

      與LNG動(dòng)力船舶面臨的困境類似,甲醇加注設(shè)施的稀缺同樣制約著甲醇動(dòng)力船舶的廣泛應(yīng)用。


      由液化天然氣驅(qū)動(dòng)的“達(dá)飛 塞納河”號(hào)融入了前沿的技術(shù)創(chuàng)新,減輕了對(duì)環(huán)境的影響。 圖/央視新聞

      無(wú)

      在全球能源結(jié)構(gòu)加速向低碳化、零碳化轉(zhuǎn)型下,氨作為極具潛力的零碳燃料,正從幕后走向聚光燈下。其燃燒產(chǎn)物僅為氮?dú)夂退瑤缀醪划a(chǎn)生二氧化碳,這種近乎“零碳排”的特性,使其成為滿足全球日益嚴(yán)苛環(huán)保法規(guī)的理想選擇,為航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了全新路徑。

      從原料供應(yīng)角度看,氨的制備極具可持續(xù)性。其主要原料氮?dú)庹即髿獬煞值?8%,取之不盡;氫氣則可通過(guò)電解水等方式獲取。隨著光伏、風(fēng)電等可再生能源技術(shù)的蓬勃發(fā)展,以綠電驅(qū)動(dòng)電解水制氫進(jìn)而合成氨的“綠氨”生產(chǎn)模式,成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。這一閉環(huán)生產(chǎn)過(guò)程全程零碳排放,突破了傳統(tǒng)氨生產(chǎn)的碳約束,將隨著技術(shù)成熟逐步降低成本,讓氨燃料在經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性上實(shí)現(xiàn)雙重躍升。

      在全球航運(yùn)業(yè)加速綠色轉(zhuǎn)型的浪潮中,日本郵船將一艘LNG拖船進(jìn)行改造,打造出全球首艘氨燃料商船——“魁”號(hào)。2024年7月,“魁”號(hào)采用創(chuàng)新的“卡車對(duì)船”加注方式,成功完成首批氨燃料的加注工作,這一突破性操作開啟了氨燃料海上運(yùn)輸?shù)男缕隆?025年3月,“魁”號(hào)順利完成示范航行。此次航行中,“魁”號(hào)的表現(xiàn)十分驚艷,實(shí)現(xiàn)了溫室氣體排放量銳減約95%的優(yōu)異成績(jī)。船上搭載的氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試,未燃燒的氨氣和一氧化二氮排放量近乎為零。

      與此同時(shí),中國(guó)在氨燃料船舶研發(fā)領(lǐng)域也取得重大進(jìn)展。2024年9月,由中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院(MARIC)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的HERCULES大力神系列16000TEU氨燃料動(dòng)力大型集裝箱船,榮獲中國(guó)船級(jí)社(CCS)頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書。這一里程碑式成果,標(biāo)志著中國(guó)在大型氨燃料船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域成功躋身世界前列,為全球航運(yùn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型注入了強(qiáng)勁動(dòng)能。

      氨燃料大規(guī)模應(yīng)用的背后,潛在風(fēng)險(xiǎn)與技術(shù)挑戰(zhàn)不容忽視。氨具有較強(qiáng)的毒性,高濃度氨氣一旦泄漏并被人體吸入,會(huì)對(duì)呼吸道黏膜、眼睛等造成強(qiáng)烈刺激與損傷,甚至造成心臟停搏、呼吸停止等危及生命的嚴(yán)重后果。因此,在船舶上運(yùn)用氨作為燃料時(shí),必須構(gòu)建全方位、多層次的安全防護(hù)體系。從硬件設(shè)施來(lái)看,需采用雙層儲(chǔ)罐,其具備內(nèi)層存儲(chǔ)、外層防護(hù)的雙重結(jié)構(gòu),即便內(nèi)層儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏,外層也能有效阻止氨氣溢出;同時(shí),安裝高精度的泄漏檢測(cè)系統(tǒng),如利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐、管道等關(guān)鍵部位的氨氣濃度,一旦超過(guò)安全閾值,立即觸發(fā)聲光報(bào)警,并聯(lián)動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)迅速排出泄漏氣體,降低艙內(nèi)氨氣濃度。

      氨的燃燒特性也為其在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來(lái)挑戰(zhàn)。相較于傳統(tǒng)燃油,氨的燃燒速度較為緩慢,燃燒穩(wěn)定性欠佳,這不僅影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出,還可能導(dǎo)致燃燒不充分,增加污染物排放。為解決這一問(wèn)題,現(xiàn)階段普遍采用添加引燃燃料(如氫氣或少量柴油)的方式來(lái)提升燃燒效率,但這無(wú)疑增加了燃料系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。目前,眾多科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)全力投入研發(fā),探索改進(jìn)燃燒技術(shù)的新路徑。例如,通過(guò)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室設(shè)計(jì),采用先進(jìn)的噴射系統(tǒng)精準(zhǔn)控制氨燃料的噴射量與噴射時(shí)機(jī),提升燃料與空氣的混合效果,使燃燒過(guò)程更加穩(wěn)定、高效;同時(shí),開發(fā)專門適配氨燃料的高性能催化劑,降低燃燒反應(yīng)的活化能,促進(jìn)氨的充分燃燒,力求在不依賴引燃燃料的情況下,實(shí)現(xiàn)氨動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)性能的全面提升。

      與LNG、甲醇動(dòng)力船舶面臨的困境相似,基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善同樣制約著氨動(dòng)力船舶的推廣。


      在船舶上運(yùn)用氨作為燃料時(shí),必須構(gòu)建全方位、多層次的安全防護(hù)體系。


      燃料電池是一種將燃料(如氫氣、甲醇等)和氧化劑(通常是氧氣)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能,過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生污染物,是一種非常清潔的能源技術(shù)。

      在船舶動(dòng)力領(lǐng)域,燃料電池展現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用潛力。從環(huán)保維度來(lái)看,其反應(yīng)過(guò)程僅產(chǎn)生水,完全規(guī)避了二氧化碳、硫氧化物及顆粒物的排放,堪稱零碳排的“綠色心臟”。在能源效率方面,燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)40%~60%,較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)25%~30%的轉(zhuǎn)化效率大幅提升,降低了燃料消耗,減少了能源浪費(fèi)。

      在運(yùn)行特性上,燃料電池以靜默運(yùn)作著稱,幾乎不產(chǎn)生機(jī)械噪聲,既為船員營(yíng)造了靜謐舒適的工作環(huán)境,也最大限度減少了對(duì)海洋生物聲吶系統(tǒng)的干擾,守護(hù)了海洋生態(tài)的寧?kù)o。此外,燃料電池強(qiáng)大的燃料兼容性賦予船舶多元選擇,無(wú)論是氫氣、甲醇等新興清潔能源,還是天然氣等傳統(tǒng)能源,均可作為反應(yīng)介質(zhì),降低了船舶對(duì)單一燃料的依賴,增強(qiáng)了航運(yùn)能源供應(yīng)的靈活性與穩(wěn)定性。

      在全球積極推動(dòng)綠色航運(yùn)、努力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的大背景下,2025年4月,洋馬公司(Yanmar)研發(fā)的GH320FC船用氫燃料電池系統(tǒng)順利獲得了挪威船級(jí)社(DNV)頒發(fā)的原則性認(rèn)可證書。它標(biāo)志著洋馬GH320FC船用氫燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、技術(shù)架構(gòu)以及安全標(biāo)準(zhǔn)等各方面,均得到了國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。值得一提的是,洋馬的這款系統(tǒng)成功躋身全球首批通過(guò)該認(rèn)證的兆瓦級(jí)船用氫燃料電池系統(tǒng)之列。

      2024年8月,中國(guó)首艘氫燃料電池動(dòng)力船舶“三峽氫舟1號(hào)”在三峽壩區(qū)開啟首航之旅。該船主要采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng),輔以磷酸鐵鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行。尤為亮眼的是,“三峽氫舟1號(hào)”充分依托三峽清潔能源優(yōu)勢(shì),開創(chuàng)性地利用三峽綠電制氫,實(shí)現(xiàn)全航程“只排水、零排放”的綠色航行。

      當(dāng)前,燃料電池的能量密度偏低,成為制約其在船舶領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一大關(guān)鍵瓶頸。燃料電池動(dòng)力船舶的續(xù)航里程通常不足200公里,這限制了其在長(zhǎng)途航行中的應(yīng)用,主要適用于短途渡輪、港口作業(yè)船和內(nèi)河船舶。

      從成本角度來(lái)看,燃料電池系統(tǒng)的制造成本居高不下,尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC),其核心組件如質(zhì)子交換膜、催化劑等,生產(chǎn)工藝復(fù)雜且依賴進(jìn)口,致使成本高昂。不僅如此,氫氣等燃料的儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本同樣不菲,氫氣需要在高壓、低溫等特殊條件下儲(chǔ)存,運(yùn)輸過(guò)程中也面臨著較大的能量損耗,這些因素疊加,使得燃料電池動(dòng)力船舶的初期投資與運(yùn)營(yíng)成本遠(yuǎn)超傳統(tǒng)船舶。

      這場(chǎng)席卷全球的船舶動(dòng)力綠色變革,既是航運(yùn)業(yè)直面環(huán)境危機(jī)的破局之戰(zhàn),也是人類探索可持續(xù)發(fā)展路徑的生動(dòng)縮影。從LNG率先破冰、甲醇強(qiáng)勢(shì)突圍,到氨能引領(lǐng)零碳未來(lái),再到燃料電池聚焦短途創(chuàng)新,每一種新能源都以獨(dú)特優(yōu)勢(shì)為航運(yùn)減排提供解決方案,卻也在技術(shù)、安全、基建等維度遭遇共性挑戰(zhàn)。破解這些難題,不僅需要科研團(tuán)隊(duì)在材料科學(xué)、燃燒技術(shù)、儲(chǔ)能系統(tǒng)上持續(xù)攻關(guān),更依賴于政府、企業(yè)與國(guó)際組織攜手構(gòu)建完善的燃料供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、統(tǒng)一安全標(biāo)準(zhǔn)與激勵(lì)機(jī)制。

      當(dāng)技術(shù)突破的星火匯聚成炬,當(dāng)全球協(xié)作的共識(shí)凝聚成勢(shì),我們有理由相信,綠色航運(yùn)的藍(lán)圖終將從紙面躍入現(xiàn)實(shí),讓碧波之上的船舶真正成為守護(hù)地球生態(tài)的“綠色使者”,在世界貿(mào)易的航道上開拓清潔、高效的嶄新未來(lái)。(作者單位:國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心

      (文章來(lái)源:《創(chuàng)意世界》2025年7月號(hào))

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      編校:范曉華,審讀:郭麗

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