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基于热反应的低阶制备高炉喷吹半焦方法

阅读:820发布:2020-05-11

专利汇可以提供基于热反应的低阶制备高炉喷吹半焦方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及了一种高 水 分、高挥发分低阶 煤 脱水提质的处理方法,公开了一种基于高压水热反应的低阶煤提质制备 高炉 喷吹半焦的方法,包括低阶煤预处理、高压水热提质、余热 回收利用 、提质半焦脱水干燥四个步骤。本发明利用高压水热反应提质技术将低热值低阶煤转化为优质高炉喷吹提质半焦,半焦空气干燥基水分小于6%、挥发分低于25%,哈氏可磨指数大于60,高位发热值大于24000kJ/kg,灰分中可溶性 钾 盐 、钠盐、 硫酸 盐 成分被溶出,煤中有机硫被有效分解析出,提质半焦可满足高炉喷吹用煤的性能指标要求。本发明提供的方法,有效解决了低阶煤进行高炉喷吹分水和挥发分含量高、热值低、有害元素含量多的难题,提供了一种清洁、高效、低能耗、产品附加值高的低阶煤提质利用方法。,下面是基于热反应的低阶制备高炉喷吹半焦方法专利的具体信息内容。

1.一种基于热反应的低阶制备高炉喷吹半焦方法,包括以下步骤:
(1)低阶煤原煤预处理:将低阶煤原煤进行破碎,将破碎后的煤粉经过管道输送到储浆槽,储浆槽中煤粉加水进行搅拌混匀;
(2)煤浆预热处理:将储浆槽中煤浆通过高压煤浆加压后,通过管道输送至换热器进行预热处理;
(3)水热化处理:加压预热后的的煤浆利用管道注入到水热处理系统中,其核心装置为水热碳化罐,控制水热碳化罐内反应温度为280-400℃,水热碳化时间为1-5h;
(4)余热回收处理:将水热碳化处理后的高温高压物料输送到冷凝系统中进行降温降压处理,降压后的的高温蒸汽输送至煤浆换热器和热干燥设备;
(5)脱水干燥处理:将冷凝器降温处理后的水热碳化物料经过降压系统使其降至为常压,常压混合物料输送至固液分离系统进行脱水处理,所得液相经净化处理后循环利用,所得泥饼状固相分离物输送至热干燥装置进行干燥后得到水热提质半焦,提质半焦运输至厂可直接入中速磨制粉进行高炉喷吹。
2.根据权利要求1所述的基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,其特征在于:
低阶煤包括但不局限于褐煤、不粘煤、弱粘煤、长焰煤、泥煤等高水分、高挥发分的低变质程度煤粉。
3.根据权利要求1所述的基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,其特征在于:
步骤(1)中煤粉破碎粒至小于1mm的水平,储浆槽中煤浆水分控制在30%-70%。
4.根据权利要求1所述的基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,其特征在于:
步骤(2)中高压煤浆泵加压压控制在0.1-3.5MPa,将煤浆预热到50-180℃。
5.根据权利要求1所述的基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,其特征在于:
步骤(3)中水热碳化罐的加热方式可以采用电加热、高温蒸汽加热、热废气加热中的一种或多种组合方式。
6.根据权利要求1所述的基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,其特征在于:
步骤(4)中核心装置为二级闪蒸罐,经过一级闪蒸罐减压产生的200-240℃高温蒸汽部分经过输送至煤浆换热器,经二级闪蒸罐减压产生的120-160℃的低温水蒸气输送至热干燥设备。
7.根据权利要求1所述的基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,其特征在于:
步骤(5)中干燥后得到水热提质半焦的空气干燥基水分小于6%、挥发分低于25%,硫含量低于0.5%,金属(K+Na)低于0.1%,哈氏可磨指数大于60,高位发热值大于24000kJ/kg。

说明书全文

基于热反应的低阶制备高炉喷吹半焦方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高水分、高挥发分、低发热量的低阶煤脱水提质的处理方法,特别是涉及了一种基于水热反应的低阶煤提质制备高炉喷吹半焦的方法。

背景技术

[0002] 化石燃料的开采利用在人类社会的进步发展中起着至关重要的作用,煤炭资源作为三大化石燃料之一,是工业生产、生活的重要能源及化工原料。与石油和天然气相比,传统的煤炭利用工艺存在能源利用效率低、污染物排放量大的缺点。从长远目标来看,“去煤化”是我国能源转型的发展方向,但是我国能源储量“富煤、缺油、少气”的特点,决定了在今后的很长一段时间中煤炭依旧是我国最为重要的基础能源和原料。如何将煤炭资源开发好、利用好成为我国经济发展中亟需解决的重要问题。
[0003] 我国煤炭资源丰富,在探明化石能源资源总量当中,煤粉比达到90%以上,而石油和天然气资源占有量不足10%,因此煤炭资源是我国最经济的能源资源。在能源消费结构方面,煤粉占一次能源消费比例不到60%,石油和天然气消费比例超过25%,而我国石油、天然气的对外依存度超过65%,因此煤炭还有资源保障能强和能源安全性高的特点。长期以来,我国粗放式、掠夺式的开采方式,不但导致煤炭资源的极大浪费,也对社会环境造成了严重破坏和污染,因此关于煤炭资源洁净高效利用技术发展至关重要,特别是占保有资源储量的46%以上低变质程度的褐煤烟煤(包括不粘煤、弱粘煤和长焰煤)的清洁高效利用。
[0004] 高炉口喷吹煤粉技术是目前炼生产降低成本、减少污染物排放、增强铁企业竞争力的主要技术手段。高炉喷吹煤粉工艺主要用来替代昂贵的冶金焦炭,其要求喷吹煤粉要有高的发热值、较好的燃烧性、较少的灰分和有害元素含量。无烟煤具有高固定、高发热值正好符合以煤代焦的需求,但由于无烟煤储量有限,价格不断攀升,造成生产成本压力增加,且国内高炉喷吹煤比平均量已经达到了150kg/t铁,如何保证大量喷煤煤粉在风口前端有限的时间和空间中完全燃烧成为炼铁生产者关注的焦点。将储量丰富、价格低廉的低阶煤资源高效应用到高炉喷吹领域中是目前拓展炼铁燃料资源,降低炼铁生产成本的主要方法。然而低阶煤碳资源(包括不粘煤、弱粘煤和长焰煤)存在水分、挥发分含量高,发热值低,着火点低、爆炸性强,部分煤种中有害元素含量高限制了其在高炉喷吹技术中的高比例使用。对低阶煤进行提质处理是目前清洁高效利用低阶煤资源的重要技术,中低温热解技术是目前低阶煤提质利用的常见方法,经过中低温热解处理能够有效降低阶煤中水分、挥发分含量,提升发热值,但也存在流程能耗高、余热难以回收利用,热解提质之后半焦中灰分含量大幅上升、多孔结构易造成水分复吸、提质半焦可磨性变差的问题。能否探寻一种既能有效脱除低阶煤中的水分、挥发分,提升热值,同时又能够有效控制灰分含量,减少提质半焦对水分的复吸能力,改善提质半焦的可磨性能成为煤化工及炼铁工作者所共同关系的问题。
[0005] 水热碳化是一种近年来快速发展的一种低阶煤脱水提质处理方法,属于“非蒸发”的干燥提质技术的一种。它把低阶煤与蒸馏水放置于一个密闭的高压反应釜中进行加热,由蒸馏水提供饱和蒸汽压,将低阶煤内部的水分以液体形式排出,同时能够部分脱除有机管能团和无机矿物质,达到提高煤阶和热值、降低灰分的目的。需要特别指出的是,水热提质过程可以脱除煤中大量的可溶性盐、钠盐等金属和氯离子,而且煤中硫、重金属元素和一些极性有机物也会出现在液相产物中。研究表明,水热碳化半焦具有与无烟煤类似的属性,可以用来作为化工和冶金领域的优质原料与燃料。但该技术目前在工艺流程(系统能耗/水耗、水热提质半焦产率、连续作业率、余热回收利用率等)及产品质量优化方面仍有较大的提升空间。

发明内容

[0006] 本发明针对目前低阶煤炭资源传统的热解提质处理存在的能耗高、产品质量不能满足高炉喷吹工艺要求、余热回收利用困难的不足,提供了一种清洁环保、快速高效、产品质量能够满足高炉喷吹工艺需求的低阶煤水热提质生产高炉喷吹燃料的方法。
[0007] 为了解决上述现有技术的不足,本发明通过下述技术方案得以解决:
[0008] 基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,包括如下步骤:
[0009] (1)低阶煤原煤预处理:将低阶煤原煤进行破碎,将破碎后的煤粉经过管道输送到储浆槽,储浆槽中煤粉加水进行搅拌混匀;
[0010] (2)煤浆预热处理:将储浆槽中煤浆通过高压煤浆加压后,通过管道输送至煤浆换热器对煤浆进行预热处理;
[0011] (3)水热碳化处理:加压预热后的的煤浆利用管道注入到水热处理系统中,其核心装置为水热碳化罐,控制水热碳化罐内反应温度为280-400℃,水热碳化时间为1-5h;
[0012] (4)余热回收处理:将水热碳化处理后的高温高压物料输送到冷凝系统中进行降温降压处理,降压后的的高温蒸汽输送至煤浆换热器和热干燥设备;
[0013] (5)脱水干燥处理:将冷凝器降温处理后的水热碳化物料经过降压系统使其降至为常压,常压混合物料输送至固液分离系统进行脱水处理,所得液相经净化处理后循环利用,所得泥饼状固相分离物输送至热干燥装置进行干燥后得到水热提质半焦,提质半焦空气干燥基水分小于6%、挥发分降低于25%,硫含量低于0.5%,碱金属(K+Na)低于0.1%,哈氏可磨指数大于60,高位发热值大于24000kJ/kg,提质半焦运输至钢铁厂可直接入中速磨制粉进行高炉喷吹。
[0014] 低阶煤经过破碎、制浆和余热处理,有益于原料的输送和水热碳化反应的完全进行。利用水热碳化处理低阶煤与传统的低阶煤热解处理方法相比,水热过程是一种非蒸发的干燥提质技术,水分以液体形态脱除,减少蒸发干燥提质技术中相变耗热,降低系统能耗;水热过程在脱除低阶煤内部水分的同时,能够脱-OH、-COOH以及>C=O等亲水含官能团,改变低阶煤表面性能,降低低阶煤中挥发分含量;水热过程能够将低阶煤中的可溶性钾盐、钠盐等碱金属、氯离子和部分有机硫、重金属元素溶解到水溶液中,减少提质煤中灰分和有害元素含量。
[0015] 基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法流程短、投资少、设备简单、操作方便,应用规模可调性强,能够满足化工和冶金等大规模工业生产的规模需求,低阶煤经水热提质得到的半焦具有高固定碳含量和高发热值,重吸水能力大幅度降低,反应性能优良、有害元素含量低,可磨性和安全性能较好的特性,能够作为一种优质的高炉喷吹用燃料进行炼铁生产,降低炼铁成本,改善铁水质量。另一方面,低阶煤水热碳化后得到高温高压物料经过闪蒸罐降压降温处理后,能够将一部分热量进一步应用于低阶煤煤浆的余热和提质半焦的烘干,能量回收率高,进一步降低了全系统的能耗。
[0016] 作为优选,低阶煤为褐煤、不粘煤、弱粘煤、长焰煤、泥煤等高水分、高挥发分的低变质程度煤粉。低阶煤经过水热碳化罐高温水热碳化处理,绝大部分水分以液态形式脱除,煤表面有机官能团部分分解,部分可溶性盐、有机硫等有害元素被溶出,确保了提质半焦作为高炉喷吹燃料使用的高品质需求。
[0017] 作为优选,步骤(1)中煤粉破碎粒至小于1mm的水平,储浆槽中煤浆水分控制在30%-70%。
[0018] 作为优选,步骤(2)中高压煤浆泵加压压力控制在0.1-3.5MPa,将煤浆预热到50-180℃。
[0019] 作为优选,步骤(3)中水热碳化罐的加热方式可以采用电加热、高温蒸汽加热、热废气加热中的一种或多种组合方式。。
[0020] 作为优选,步骤(4)中核心装置为二级闪蒸罐,经过一级闪蒸罐减压产生200-240℃高温蒸汽部分经过输送至换热器,经二级闪蒸罐减压产生的120-160℃的低温水蒸气输送至热干燥设备。
[0021] 本发明通过采用以上的技术方案的实施,具有以下优点:
[0022] 能源消耗低,热量回收效率高。本发明利用水热碳化原理将低阶煤中的水分以液态形式排出,减少了蒸发干燥过程水蒸气气化消耗热量;低阶煤水热碳化处理后产生的余热利用梯级利用与原煤浆的余热和碳化半焦的干燥,热量回收利用率高。
[0023] 设备操作简单,工艺控制灵活。该发明利用高压煤浆泵通过管道与水热碳化罐结合实现水热碳化反应,采用高温蒸汽辅助电加热方式能够实现快速升温和精确控温;该方法可根据低阶原煤特性通过控制水热碳化反应时间和温度实现对水热碳化半焦性能的调控;低阶煤水热碳化处理后高温物料降温处理采用二级闪蒸罐,灵活控制原煤浆预热和碳化半焦干燥蒸汽温度。
[0024] 原料来源广泛,提质半焦质量均匀可控。褐煤、不粘煤、弱粘煤、长焰煤、泥煤等都可以作为原料,原煤经破碎制浆后进行水热碳化处理,在水热碳化罐内浆液可以充分搅拌均匀加热,制备的半焦性能均匀稳定;根据原煤属性差异,可以通过优化水热碳化时间和温度控制水热半焦性能满足高炉喷吹要求。
[0025] 提升低阶煤价值,拓展高炉喷吹燃料种类。低阶煤经水热提质半焦替代价格昂贵的无烟煤和烟煤进行高炉喷吹可以降低高炉冶炼成本,同时提升低阶煤利用价值;进一步扩展高炉喷吹燃料的种类范围,可以将褐煤、不粘煤、弱粘煤、长焰煤、泥煤等低阶煤种应用于高炉炼铁生产,促进低阶煤的高价值利用和高炉炼铁生产的降本增效。附图说明
[0026] 图1是本发明的基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法的工艺流程图

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例,都属于本发明所保护的范围。
下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。
[0027] 实施例1
[0028] 基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,如图1所示,包括以下步骤:
[0029] (1)低阶煤原煤预处理:将低阶煤原煤破碎粒至小于1mm的水平,将破碎后的煤粉经过管道输送到储浆槽,储浆槽中煤粉加水进行搅拌混匀,控制储浆槽中煤浆水分为40%;
[0030] (2)煤浆预热处理:将储浆槽中煤浆通过高压煤浆泵加压至0.1MPa后,通过管道输送至煤浆换热器进行预热,将煤浆预热到80℃;
[0031] (3)水热碳化处理:加压预热后的的煤浆利用管道注入到水热处理系统中,利用高温蒸汽辅助电加热水热碳化罐,控制水热碳化罐内反应温度为280℃,水热碳化时间为5h;
[0032] (4)余热回收处理:将水热碳化处理后的高温高压物料输送到冷凝系统中进行降温降压处理,经过一级闪蒸罐减压产生200℃高温蒸汽部分经过输送至换热器,经二级闪蒸罐减压产生的120℃的低温水蒸气输送至热干燥设备;
[0033] (5)脱水干燥处理:将冷凝器降温处理后的水热碳化物料经过降压系统使其降至为常压,常压混合物料输送至固液分离系统进行脱水处理,所得液相经净化处理后循环利用,所得泥饼状固相分离物输送至热干燥装置进行干燥后得到水热提质半焦,提质半焦的空气干燥基水分含量为3.5%,挥发分为25.6%,硫含量为0.33%,碱金属(K+Na)为0.08%,哈氏可磨系数65,灰分含量6.6%,高位发热值达到24600kJ/kg,提质半焦运输至钢铁厂可直接入中速磨制粉进行高炉喷吹。
[0034] 其中,低阶煤为褐煤;步骤(4)中一级闪蒸罐减压产生的蒸汽回收利用于步骤(2)的煤浆预热处理;步骤(4)中二级闪蒸罐减压产生的蒸汽利用于步骤(5)的固状物料加热干燥工序。
[0035] 实施例2-5
[0036] 实施例2-5提供了一种基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦的方法,与实施例1相比,不同之处在于改变了步骤(1)和步骤(2)中煤浆水分含量、高压煤浆泵输送压力和煤浆预热温度,各实施例对应的煤浆水分含量、高压煤浆泵输送压力和煤浆预热温度具体值如表1所示。
[0037] 表1实施例2~5对应的煤浆水分含量、高压煤浆泵输送压力和煤浆预热温度[0038] 对各实施例中制得的提质半焦进行测试,结果如表2所示:
[0039] 表2实施例2~5中步骤(5)制得的提质半焦的性能
[0040] 由表2可以看出,实施例2~5制备的提质半焦空气干燥基水热含量在3.2%~3.5%之间,挥发分为25.3%~25.6%之间,硫含量为0.32%~0.34%之间,碱金属(K+Na)含量为0.07%~0.08%之间,哈氏可磨系数为65,灰分含量在6.6%~6.7%之间,高位发热值在24480~24660kJ/kg之间。对比可以发现增加煤浆水分含量、提高高压煤浆泵输送压力和煤浆预热温度能够降低获得半焦中水分、挥发分、灰分、硫和碱金属的含量,提升高位发热值,同时对哈氏可磨系数没有影响,整体来说改善了提质半焦进行高炉喷吹的性能。
[0041] 实施例6~13
[0042] 实施例6~13提供了一种基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦的方法,与实施例1相比,不同之处在于改变了步骤(3)中水热碳化温度和处理时间,各实施例对应水热碳化温度和处理时间的具体值如表3所示:
[0043] 表3实施例6~13对应的水热碳化温度和处理时间实施例 加热温度,℃ 处理时间,h
实施例6 300 4
实施例7 320 3.5
实施例8 340 3
实施例9 360 2
实施例10 380 1.5
实施例11 400 1
实施例12 340 4
实施例13 340 2
[0044] 对各实施例中制得的提质半焦进行测试,结果如表4所示:
[0045] 表4实施例6~13中步骤(5)制得的提质半焦的性能
[0046] 由表4可以看出,实施例6~13制备的提质半焦空气干燥基水热含量在2.5%~3.4%之间,挥发分为19.8%~25.1%之间,硫含量为0.29%~0.33%之间,碱金属(K+Na)含量为0.04%~0.07%之间,哈氏可磨系数在65-75之间,灰分含量在5.8%~6.7%之间,高位发热值在25330~29350kJ/kg之间。对比可以发现提高水热碳化温度获得半焦中水分、挥发分、灰分、硫和碱金属的含量降低,高位发热值升高,哈氏可磨系数也逐渐随水热碳化温度的升高而升高,改善了提质半焦进行高炉喷吹的性能。延长水热碳化处理时间获得半焦中水分、挥发分、灰分、硫和碱金属的含量稍有降低,高位发热值略有升高,哈氏可磨系数稍有升高,对提质半焦性能改善的幅度较小。
[0047] 升高水热碳化温度和延长处理时间对提质半焦性能的影响是由于水热炭化过程中,温度越高、处理时间越长,低阶煤中结晶水和含有的有机官能团发生断裂和分解,形成CO2、CO、H2O等进入液相和气相中,降低了水分和挥发分的含量。此过程中有机形态的硫和碱金属得到释放被脱除,同时水热碳化过程中释放更多小分子气体,提高孔隙率,为硫和碱金属的逸出提供了良好的通道,从而促进硫和碱金属的脱除。低阶煤中水溶性的矿物质在水热碳化过程中冶逐渐进入液相,降低了提质半焦灰分的含量,灰分含量的降低和半焦孔隙率的增加对改善哈氏可磨系数也有一定的帮助。挥发分和灰分含量的降低使得提质半焦中固定含量增加,高位发热值也随之增加。
[0048] 实施例14
[0049] 基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦方法,如图1所示,包括以下步骤:
[0050] (1)低阶煤原煤预处理:将低阶煤原煤破碎粒至小于1mm的水平,将破碎后的煤粉经过管道输送到储浆槽,储浆槽中煤粉加水进行搅拌混匀,控制储浆槽中煤浆水分为60%;
[0051] (2)煤浆预热处理:将储浆槽中煤浆通过高压煤浆泵加压至2.75MPa后,通过管道输送至煤浆换热器进行预热,将煤浆预热到170℃;
[0052] (3)水热碳化处理:加压预热后的的煤浆利用管道注入到水热处理系统中,利用高温蒸汽辅助电加热水热碳化罐,控制水热碳化罐内反应温度为360℃,水热碳化时间为2h;
[0053] (4)余热回收处理:将水热碳化处理后的高温高压物料输送到冷凝系统中进行降温降压处理,经过一级闪蒸罐减压产生230℃高温蒸汽部分经过输送至换热器,经二级闪蒸罐减压产生的150℃的低温水蒸气输送至热干燥设备;
[0054] (5)脱水干燥处理:将冷凝器降温处理后的水热碳化物料经过降压系统使其降至为常压,常压混合物料输送至固液分离系统进行脱水处理,所得液相经净化处理后循环利用,所得泥饼状固相分离物输送至热干燥装置进行干燥后得到水热提质半焦,提质半焦的空气干燥基水分含量为2.1%,挥发分为19.5%,硫含量为0.23%,碱金属(K+Na)为0.03%,哈氏可磨系数77,灰分含量5.2%,高位发热值达到28600kJ/kg,提质半焦运输至钢铁厂可直接入中速磨制粉进行高炉喷吹。
[0055] 其中,低阶煤为长烟煤;步骤(4)中一级闪蒸罐减压产生的蒸汽回收利用于步骤(2)的煤浆预热处理;步骤(4)中二级闪蒸罐减压产生的蒸汽利用于步骤(5)的固状物料加热干燥工序。
[0056] 实施例15-18
[0057] 实施例2-5提供了一种基于水热反应的低阶煤制备高炉喷吹半焦的方法,与实施例1相比,不同之处在于改变了步骤(2)和(4)中高压煤浆泵输送压力、煤浆预热温度和一级、二级闪蒸罐产生蒸汽温度,各实施例对应的高压煤浆泵输送压力、煤浆预热温度和一级、二级闪蒸罐产生蒸汽温度具体值如表5所示。
[0058] 表5实施例15~18对应的高压煤浆泵输送压力、煤浆预热温度和一级、二级闪蒸罐产生蒸汽温度
[0059] 对各实施例中制得的提质半焦进行测试,结果如表6所示:
[0060] 表6实施例15~18中步骤(5)制得的提质半焦的性能
[0061] 由表2可以看出,实施例2~5制备的提质半焦空气干燥基水热含量在1.8%~2.3%之间,挥发分为19.4%~20.3%之间,硫含量为0.21%~0.25%之间,碱金属(K+Na)含量为0.02%~0.04%之间,哈氏可磨系数在75-81之间,灰分含量在5.3%~5.5%之间,高位发热值在27650~29180kJ/kg之间,提质半焦运输至钢铁厂可直接入中速磨制粉进行高炉喷吹。较高的一级闪蒸罐蒸汽温度提高了煤浆的预热效率,能够降低系统能耗。较高的二级闪蒸罐蒸汽温度对制备提质半焦的干燥效果得到改善,进一步降低了提质半焦的水分含量,有利于改善提质半焦高炉喷吹的性能。
[0062] 以上所述,仅为本发明的说明实施例,并非对本发明任何形式上和实质上的限制,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明方法的前提下,做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围;同时,凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变,均仍属于本发明的保护范围。
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