CN107084387B - 一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉 - Google Patents

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Abstract

一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，包括一次风室、主燃室、副燃室等，主燃室侧墙下方设置有下二次风喷口，下二次风喷口底部设有下二次风箱；顶棚设置有顶置中心二次风喷管和顶置幕帘二次风喷管，分别位于主燃室和副燃室顶部。下二次风管与下二次风箱相连，上二次风管分别与顶置中心二次风喷管和顶置幕帘二次风喷管相连；引风机出口烟气总管上设有再循环回燃烟气总管；回燃烟气总管分别与一次风机入口风管和二次风机入口风管连接。回燃烟气总管与一次风机入口风管之间设置有一次风回燃烟气阀；回燃烟气总管与二次风机入口风管之间设置有二次风回燃烟气阀。本发明具有燃烧效率高、NOx生成量低、锅炉运行可靠等优点。

Description

一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉
技术领域
本发明涉及一种循环流化床燃烧设备，尤其涉及一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床燃烧设备，属于低排放的煤炭、固体废弃物、城市和工业污泥、生物质等固体燃料的燃烧设备，特别适合于要求超低NOx原始排放的固体燃料的循环流化燃烧。
背景技术
目前我国国内的煤炭、固体废弃物、污泥、生物质等固体燃料的主要燃烧设备是链条炉、水冷振动炉排锅炉和循环流化床锅炉等，根据不同的燃料选择不同的炉型、不同的炉型具有各自的特点。
循环流化床锅炉是近年来发展起来的高效清洁的燃烧技术，燃料适应性广，可燃用优质煤、劣质煤、固体废弃物、生物质等燃料。由于其燃烧效率高，能同时进行炉内脱硫、脱硝等污染控制操作，具有低NOx和SOx排放等优点，因而在电力市场得到了迅速的发展，正在向大型化方向发展，600MWe的循环流化床锅炉已投入商业运行。同时，在工业锅炉领域，由于工业锅炉的蒸发量小、运行灵活、检修方便，劣质煤、固体废弃物、生物质等燃料等日益受到青睐，这些燃料非常适合采用循环流化床技术燃烧。传统立式、单级循环流化床锅炉存在炉身高，锅炉岛体积庞大等缺点，对厂房建设要求较高。同时锅炉岛的支撑钢架以及锅炉岛本体的钢耗较大，使得项目造价和初投资较高。针对立式循环流化床锅炉在工业锅炉领域的缺陷，中国专利CN1786565A公布了一种卧式循环流化床燃烧设备及其循环燃烧方法，采用外置分离器、将传统立式锅炉的炉膛分为三个部分，从而有效降低了炉膛高度。然而，CN1786565A公布的专利在炉内低NOx燃烧方面，与传统的立式循环流化床锅炉没有明显差异，针对固体燃料，很难达到苛刻的工业锅炉排放要求（例如，NOx排放低于200 mg/Nm3甚至要求更低）。另外，从主燃室进入副燃室的循环物料容易对冲到对面水冷壁上，也容易导致磨损。
在传统的循环流化床领域，一般可通过空气分级燃烧来降低NOx排放，即燃料燃烧所需要的空气分阶段供给，一次风通过风室供给，但一次风量不足以提供燃料完全燃烧所需要的空气，燃料完全燃烧所需要的空气再由二次风或三次风供给，通过这种分级供给空气的方式来营造燃烧区域的还原性气氛，从而将燃烧生成的NOx还原为N2，降低NOx排放。目前，这种空气分级燃烧的方式对NOx的减排效果已经达到了瓶颈。用于过热器调温的烟气再循环方法同样可强化炉膛内的还原性气氛，并降低炉膛内的温度水平，有利于低NOx排放。同时，流化床锅炉由于燃烧温度低，烟气中仍还有未燃尽的微量CO、CH4等可燃气体，通过烟气再循环回燃可提高燃烧效率。空气分级燃烧和烟气回燃相结合，可以进一步深度降低NOx排放和锅炉的燃烧效率。同时，通过合理设置送风位置，可以调控燃烧室内流场，也可以降低冲刷和磨损等。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明基于现有的卧式循环流化床工业锅炉技术，提出一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，在结构布置紧凑的同时，充分利用了卧式循环流化床锅炉分床燃烧的特点，在保留分级配风方式的基础上，采用烟气再循环回燃，使燃料燃烧充分的同时降低NOx排放。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，包括一次风室、燃料供给装置、主燃室、副燃室、燃尽室、分离器、一次回料器、二次回料器、连接烟道、尾部烟道和受热面；所述主燃室、副燃室和燃尽室由水冷壁围成，在所述主燃室和副燃室之间布置有前隔墙水冷壁，在所述副燃室和燃尽室之间布置有后隔墙水冷壁，在所述主燃室和副燃室的顶部布置有顶棚；在所述尾部烟道和受热面后布置除尘器，所述除尘器通过引风机与烟囱相连，其特征在于：
所述锅炉还包括一次风机和二次风机；所述一次风机出口端与所述一次风室相连，所述一次风机进口端设置有一次风空气入口；所述一次风机与一次风空气入口间通过一次风机入口风管连接；所述二次风机进口端设置有二次风空气入口；所述二次风机与二次风空气入口间通过二次风机入口风管连接；所述二次风机出口设置二次风总管；所述主燃室侧面的水冷壁形成主燃室侧墙，所述主燃室侧墙下方设置有下二次风喷口，所述下二次风喷口底部设有下二次风箱；所述顶棚设置有顶置中心二次风喷管和顶置幕帘二次风喷管，所述顶置中心二次风喷管和顶置幕帘二次风喷管分别位于主燃室和副燃室顶部；
所述二次风总管出口分别连接有下二次风管和上二次风管，所述下二次风管与下二次风箱相连，所述上二次风管分别与所述顶置中心二次风喷管和顶置幕帘二次风喷管相连；
所述引风机与烟囱之间设置有引风机出口烟气总管相连，所述引风机出口烟气总管上设有回燃烟气总管；所述回燃烟气总管分别与一次风机入口风管和二次风机入口风管连接。
上述技术方案中，所述回燃烟气总管与一次风机入口风管之间设置有一次风回燃烟气阀；所述回燃烟气总管与二次风机入口风管之间设置有二次风回燃烟气阀。
上述技术方案中，所述一次风机与一次风室之间设置有一次风总管；所述一次风总管与所述一次回料器、二次回料器通过回料风管连接；所述一次风总管与一次风室连接有底置一次风管。
上述技术方案中，所述下二次风喷口设置两组，每组下二次风喷口包括若干个并联布置的下二次风喷口，每组下二次风喷口底部设置一个下二次风箱；两组下二次风喷口对称设置在所述主燃室两边的主燃室侧墙；所述下二次风喷口轴向中心线与主燃室侧墙的夹角α为75～85°。
上述技术方案中，所述顶置中心二次风喷管位于所述主燃室顶部的中心；所述顶置中心二次风喷管出口的平均气流速度v3>5m/s。
上述技术方案中，所述前隔墙水冷壁的顶端与所述顶棚的垂直距离为h，所述顶置幕帘二次风喷管中心与所述前隔墙水冷壁的直线距离为s1，从主燃室进入副燃室的热烟气和循环物料混合物的密度为ρ1、速度为v1，所述烟气和循环物料混合物相对于前隔墙水冷壁顶端的平均旋转动量矩J1=0.5·ρ1·v1·h；从顶置幕帘二次风喷管喷出的气流的密度为ρ2、速度为v2，所述气流相对于前隔墙水冷壁顶端的旋转动量矩J2=ρ2·v2·s1；J2和J1的关系为J2≥J1。
上述技术方案中，通过一次风机供入锅炉的空气量占燃烧总需要空气量的40%~60%。
上述技术方案中，通过一次风回燃烟气阀进入到一次风机入口风管的回燃烟气标况体积流量与通过一次风空气入口进入到一次风机入口风管的空气标况体积流量的比值为0~0.25。通过二次风回燃烟气阀进入到二次风机入口风管的回燃烟气标况体积流量与通过二次风空气入口进入到一次风机入口风管的空气标况体积流量的比值为0~0.20。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明采用水平卧式布置，可大大降低锅炉的高度，节省锅炉钢耗，从而有效地降低了锅炉成本。同时由于锅炉高度降低后，锅炉厂房的建造成本可大幅度降低。锅炉高度降低后，锅炉的稳定性好，可使锅炉及厂房结构更加紧凑，也便于检修维护。②本发明采用空气分级燃烧和烟气回燃技术，可提高燃烧效率，由于炉膛内温度水平均匀且含氧量低，因而NOx生成量低，锅炉原始的NOx排放小于100mg/Nm3。③回料器采用部分再循环烟气流化，可避免回料器内残留碳的局部强烈燃烧而导致回料器结焦，提高了锅炉运行的可靠性。④副燃室顶部设置幕帘风，改变了气固流场，降低了因离心作用而导致的对副燃室后隔墙水冷壁的磨损。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉的结构示意图。
图2为本发明所涉及的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉的主燃室B-B剖视图。
图3为本发明所涉及的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉的A向顶棚视图。
图4为本发明所涉及的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉的顶置幕帘二次风及流场示意图。
图5为本发明所涉及的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉的顶置中心二次风及流场示意图。
图中：1－一次风室；2－下二次风箱；3－燃料供给装置；4－下二次风喷口；5－水冷壁；6－主燃室；7－副燃室；8－顶置中心二次风喷管；9－顶置幕帘二次风喷管；10－燃尽室；11－分离器；12－连接烟道；13－尾部烟道和受热面；14－除尘器；15－引风机；16－烟囱；17－二次风回燃烟气阀；18－二次风空气入口；19－一次风空气入口；20－一次风回燃烟气阀；21－一次风机；22－二次风机；23－二次回料器；24－一次回料器；30－引风机出口烟气总管；31－回燃烟气总管；32－一次风机入口风管；33－二次风机入口风管；34－二次风总管；35－一次风总管；36－回料风管；37－底置一次风管；38－下二次风管；39－上二次风管；40－前隔墙水冷壁；41－后隔墙水冷壁；50－主燃室侧墙；51－顶棚。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
如图1所示，一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，包括一次风室1、燃料供给装置3、主燃室6、副燃室7、燃尽室10、分离器11、一次回料器24、二次回料器23、连接烟道12、尾部烟道和受热面13。所述主燃室6、副燃室7和燃尽室10由水冷壁5围成，所述主燃室6、副燃室7和燃尽室10并列布置，在所述主燃室6和副燃室7之间布置有前隔墙水冷壁40，在所述副燃室7和燃尽室10之间布置有后隔墙水冷壁41。以主燃室6、副燃室7和燃尽室10并列布置的方向为前后，主燃室6、副燃室7和燃尽室10之间互不接触的方向为左右侧面。所述主燃室6侧面的水冷壁形成主燃室侧墙50，所述主燃室侧墙50下方设置有下二次风喷口4，所述下二次风喷口4底部设有下二次风箱2。如图2所示，一种实施方式是，下二次风喷口4设置两组，每组下二次风喷口包括若干个并联布置的下二次风喷口4，每组下二次风喷口底部设置一个下二次风箱2。两组下二次风喷口4和对应的两个下二次风箱2分别对称设置在所述主燃室左右两侧的主燃室侧墙50。每个下二次风喷口4轴向中心线与该下二次风喷口4所在的主燃室侧墙50的夹角α均为75～85°。
所述主燃室6和副燃室7的顶部布置有顶棚51，所述顶棚51设置有顶置中心二次风喷管8和顶置幕帘二次风喷管9，所述顶置中心二次风喷管8和顶置幕帘二次风喷管9分别位于主燃室6和副燃室7顶部。如图3所示，所述顶置中心二次风喷管8位于所述主燃室6顶部的中心；所述顶置中心二次风喷管8出口的平均气流速度v3>5m/s。
在所述尾部烟道和受热面13后布置除尘器14，所述除尘器14通过引风机15与烟囱16相连。
所述锅炉还包括一次风机21和二次风机22。所述一次风机21出口端与所述一次风室1相连，所述一次风机21进口端设置有一次风空气入口19；所述一次风机21与一次风空气入口19间通过一次风机入口风管32连接。所述一次风机21与一次风室1之间设置有一次风总管35；所述一次风总管35与所述一次回料器24、二次回料器23通过回料风管36连接；所述一次风总管35与一次风室1连接有底置一次风管37。
所述二次风机22进口端设置有二次风空气入口18；所述二次风机22与二次风空气入口18间通过二次风机入口风管33连接。所述二次风机22出口设置二次风总管34。所述二次风总管34出口分别连接有下二次风管38和上二次风管39，所述下二次风管38与下二次风箱2相连，所述上二次风管39分别与所述顶置中心二次风喷管8和顶置幕帘二次风喷管9相连。
所述引风机15与烟囱16之间设置有引风机出口烟气总管30相连，所述引风机出口烟气总管30上设有回燃烟气总管31；所述回燃烟气总管31分别与一次风机入口风管32和二次风机入口风管33连接。
所述回燃烟气总管31与一次风机入口风管32之间设置有一次风回燃烟气阀20；所述回燃烟气总管31与二次风机入口风管33之间设置有二次风回燃烟气阀17。
如图4所示，所述前隔墙水冷壁40的顶端与所述顶棚51的垂直距离为h，所述顶置幕帘二次风喷管9中心与所述前隔墙水冷壁40的直线距离为s1，从主燃室6进入副燃室7的热烟气和循环物料混合物的密度为ρ 1 、速度为v1，这样所述热烟气和循环物料混合物相对于前隔墙水冷壁40顶端的平均旋转动量矩J1=0.5·ρ 1 ·v1·h；从顶置幕帘二次风喷管9喷出的气流的密度为ρ 2 、速度为v2，所述气流相对于前隔墙水冷壁40顶端的旋转动量矩J2=ρ 2 ·v2·s1；两者的关系为J2≥J1。
一次风机21供入锅炉的空气量占燃烧总需要空气量的40%~60%。
通过一次风回燃烟气阀20进入到一次风机入口风管32的回燃烟气标况体积流量与通过一次风空气入口19进入到一次风机入口风管32的空气标况体积流量的比值为0~0.25。
通过二次风回燃烟气阀17进入到二次风机入口风管33的回燃烟气标况体积流量与通过二次风空气入口19进入到一次风机入口风管33的空气标况体积流量的比值为0~0.20。
燃料通过燃料供给装置3给入所述锅炉，燃料与通过一次风室1给入的一次风混合燃烧，燃烧后产生的烟气含有大量未燃气体，含未燃气体的烟气在主燃室6内与下二次风喷口4喷入的二次风、顶置中心二次风喷管8喷入的二次风混合燃烧，然后在副燃室7内与顶置幕帘二次风喷管9喷入的二次风混合，进一步燃烧。然后，烟气经尾部烟道和受热面13、除尘器14进入引风机15。进入引风机15的烟气温度在100~160℃之间，并且可能含有极少量的未燃气体CO、CH4、H2等（例如，110ppm的CO，8ppm的CH4）。引风机15出口的部分烟气经回燃烟气总管31分别分配至一次风机入口风管32和二次风机入口风管33，进而与空气混合，空气和回燃烟气的混合气体作为锅炉的一次风和二次风，一次风从一次风室1给入，二次风分别从下二次风喷口4、顶置中心二次风喷管8、幕帘二次风喷管9给入。一次风、二次风中回燃烟气的比例根据燃料种类、负荷以及燃烧温度水平确定。当锅炉处于高负荷状态时，炉膛温度水平高，一次风、二次风中的回燃烟气的比例可以高些。当燃料的挥发分含量高，炉膛内固有燃料碳颗粒的还原性弱时，可适当提高回燃烟气比例。二次回料器23和一次回料器24采用部分再循环烟气流化，可避免回料器内残留碳的局部强烈燃烧而导致回料器结焦，提高了锅炉运行的可靠性。
当下二次风喷口4喷出的二次风穿透深度较弱时，可增加顶置中心二次风喷管8中喷出的二次风份额。如图5所示，因为顶置中心二次风喷管8的中心与向主燃室6的垂直中心重合，所以此处二次风可直接供入到炉膛的中心，有利于空气与燃料的混合，强化燃烧和传热。
幕帘二次风喷管9喷出的二次风可以改变从主燃烧6到副燃室7内气固两相流的流向。当不布置幕帘二次风喷管9时，主燃室到副燃室内的气固流动对后隔墙水冷壁41的冲刷严重，而采用幕帘二次风时，可将从主燃室射向副燃室的热烟气固两相流向下压折转，从而降低磨损。
其中一个实施例：
对于某台锅炉，顶置中心二次风喷管8出口的平均气流速度v3=6m/s，大于流化风速（4.5m/s），这样可使主燃室内混合强烈。下二次风喷口4轴向中心线与副燃室7侧壁的夹角α为80°，该处的二次风气流斜向下喷出，与向上流动的主燃室内气固两相流热烟气形成交错混合，有利于强化内循环。从主燃室6进入副燃室7的热烟气相对于前隔墙水冷壁40顶端的平均旋转动量矩J1，从顶置幕帘二次风喷管9喷出的相对于前隔墙水冷壁40顶端的旋转动量矩J2，J2/J1=1.0~1.5范围内可调，二次风的旋转动量强度高于气固两相流热烟气的旋转动量，因而射流方向被改变，使得副燃室内的气固两相向下均匀流动。根据燃料特性，一次风机21供入的空气量占燃烧总需要空气量的55%；通过一次风回燃烟气阀20进入到一次风机入口风管32的回燃烟气标况体积流量与通过一次风空气入口19进入到一次风机入口风管32的空气标况体积流量的比值为0.1；通过二次风回燃烟气阀17进入到二次风机入口风管33的回燃烟气标况体积流量与通过二次风空气入口19进入到一次风机入口风管33的空气标况体积流量的比值为0.15。
由于本发明采用了烟气再循环回燃，炉膛内温度水平低、温度场均匀，烟气含氧量低，因而NOx生成量低，当燃料适宜时锅炉原始的NOx排放可小于50mg/Nm3，无需SNCR或者SCR即可实现超低排放。副燃室顶部设置幕帘风，改变了气固流场，降低了因离心作用而导致的对副燃室后隔墙水冷壁的磨损。锅炉的环保水平和可用率均获得大幅度提高。

Claims (9)

1.一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，包括一次风室（1）、燃料供给装置（3）、主燃室（6）、副燃室（7）、燃尽室（10）、分离器（11）、一次回料器（24）、二次回料器（23）、连接烟道（12）、尾部烟道和受热面（13）；所述主燃室（6）、副燃室（7）和燃尽室（10）由水冷壁（5）围成，在所述主燃室（6）和副燃室（7）之间布置有前隔墙水冷壁（40），在所述副燃室（7）和燃尽室（10）之间布置有后隔墙水冷壁（41），在所述主燃室（6）和副燃室（7）的顶部布置有顶棚（51）；在所述尾部烟道和受热面（13）后布置除尘器（14），所述除尘器（14）通过引风机（15）与烟囱（16）相连，其特征在于：
所述锅炉还包括一次风机（21）和二次风机（22）；所述一次风机（21）出口端与所述一次风室（1）相连，所述一次风机（21）进口端设置有一次风空气入口（19）；所述一次风机（21）与所述一次风空气入口（19）间通过一次风机入口风管（32）连接；所述二次风机（22）进口端设置有二次风空气入口（18）；所述二次风机（22）与所述二次风空气入口（18）间通过二次风机入口风管（33）连接；所述二次风机（22）出口设置二次风总管（34）；所述主燃室（6）侧面的水冷壁形成主燃室侧墙（50），所述主燃室侧墙（50）下方设置有下二次风喷口（4），所述下二次风喷口（4）底部设有下二次风箱（2）；所述顶棚（51）设置有顶置中心二次风喷管（8）和顶置幕帘二次风喷管（9），所述顶置中心二次风喷管（8）和顶置幕帘二次风喷管（9）分别位于主燃室（6）和副燃室（7）顶部；
所述二次风总管（34）出口分别连接有下二次风管（38）和上二次风管（39），所述下二次风管（38）与下二次风箱（2）相连，所述上二次风管（39）分别与所述顶置中心二次风喷管（8）和顶置幕帘二次风喷管（9）相连；
所述引风机（15）与所述烟囱（16）之间设置有引风机出口烟气总管（30），所述引风机出口烟气总管（30）上设有回燃烟气总管（31）；所述回燃烟气总管（31）分别与一次风机入口风管（32）和二次风机入口风管（33）连接。
2.按照权利要求1所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：所述回燃烟气总管（31）与所述一次风机入口风管（32）之间设置有一次风回燃烟气阀（20）；所述回燃烟气总管（31）与所述二次风机入口风管（33）之间设置有二次风回燃烟气阀（17）。
3.按照权利要求1所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：所述一次风机（21）与所述一次风室（1）之间设置有一次风总管（35）；所述一次风总管（35）与所述一次回料器（24）、二次回料器（23）通过回料风管（36）连接；所述一次风总管（35）与所述一次风室（1）连接有底置一次风管（37）。
4.按照权利要求1所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：所述下二次风喷口（4）设置两组，每组下二次风喷口包括若干个下二次风喷口（4），每组下二次风喷口底部设置一个下二次风箱（2）；两组下二次风喷口（4）对称设置在所述主燃室（6）两边的主燃室侧墙（50）；所述下二次风喷口（4）轴向中心线与主燃室侧墙（50）的夹角α为75～85°。
5.按照权利要求1所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：所述顶置中心二次风喷管（8）位于所述主燃室（6）顶部的中心；所述顶置中心二次风喷管（8）出口的平均气流速度v3>5m/s。
6.按照权利要求1所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：所述前隔墙水冷壁（40）的顶端与所述顶棚（51）的垂直距离为h，所述顶置幕帘二次风喷管（9）中心与所述前隔墙水冷壁（40）的直线距离为s1，从主燃室（6）进入副燃室（7）的热烟气和循环物料混合物的密度为ρ 1 、速度为v1，所述热烟气和循环物料混合物相对于前隔墙水冷壁（40）顶端的平均旋转动量矩J1=0.5·ρ 1 ·v1·h；从顶置幕帘二次风喷管（9）喷出的气流的密度为ρ 2 、速度为v2，所述气流相对于前隔墙水冷壁（40）顶端的旋转动量矩J2=ρ 2 ·v2·s1；J2≥J1。
7.按照权利要求1所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：通过所述一次风机（21）供入所述锅炉的空气量占燃烧总需要空气量的40%~60%。
8.按照权利要求1或2所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：通过所述一次风回燃烟气阀（20）进入到一次风机入口风管（32）的回燃烟气标况体积流量与通过一次风空气入口（19）进入到一次风机入口风管（32）的空气标况体积流量的比值为0~0.25。
9.按照权利要求1或2所述的一种烟气回燃的多流程低NOx卧式循环流化床锅炉，其特征在于：通过二次风回燃烟气阀（17）进入到二次风机入口风管（33）的回燃烟气标况体积流量与通过二次风空气入口（18）进入到一次风机入口风管（33）的空气标况体积流量的比值为0~0.20。
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