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論我國(guó)的生物質(zhì)利用與發(fā)展

非農(nóng)業(yè)是指由光合作用產(chǎn)生的各種有機(jī)物質(zhì)中的太陽(yáng)能。水生生物是水生生物的載體。在各種可再生能源中,生物質(zhì)是獨(dú)特的,不僅能貯存太陽(yáng)能,還是一種可再生的碳源,可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。據(jù)估計(jì),地球上植物每年通過(guò)光合作用固定的碳達(dá)2×1011t,含能量達(dá)3×1018kJ,可開(kāi)發(fā)的能源約相當(dāng)于全世界每年耗能量的10倍。我國(guó)生物質(zhì)能資源相當(dāng)豐富,理論生物質(zhì)能資源約有50億t標(biāo)準(zhǔn)煤,是我國(guó)目前總能耗的4倍左右。用現(xiàn)代高新技術(shù)開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能,解決人類(lèi)面臨的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力,對(duì)于建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng),促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善具有重大意義。1堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在面臨礦產(chǎn)資源枯竭的背景下,全世界都在謀求以循環(huán)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)為指導(dǎo),堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,從保護(hù)人類(lèi)自然資源、生態(tài)環(huán)境出發(fā),充分有效地利用可再生的、巨大的生物質(zhì)資源。生物質(zhì)能源和生物質(zhì)利用的戰(zhàn)略意義在于生物質(zhì)具有多功能、多效益的特點(diǎn)以及在滿(mǎn)足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求方面的重要作用。(1)相關(guān)領(lǐng)域向農(nóng)村集中生產(chǎn)的領(lǐng)域增多“三農(nóng)”問(wèn)題是關(guān)系我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全面建設(shè)小康社會(huì)的關(guān)鍵性問(wèn)題,關(guān)系著8億農(nóng)村居民和1億農(nóng)民工的發(fā)展需要和切身利益。生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是多元化的新興產(chǎn)業(yè),開(kāi)始向食品、生物質(zhì)能源、生物質(zhì)材料、林產(chǎn)化工、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域擴(kuò)展,未來(lái)農(nóng)民將不僅要生產(chǎn)食物和飼料,而且要生產(chǎn)能源、材料、化學(xué)制品等。結(jié)合我國(guó)農(nóng)村人口多,生物質(zhì)資源分散的特點(diǎn),就地取材,大力發(fā)展沼氣池、生物質(zhì)壓塊炭化燃料、生物質(zhì)戶(hù)用氣化爐等生物質(zhì)能技術(shù),在燃料方面實(shí)現(xiàn)生活小康,有利于改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生和居住區(qū)生活條件,全面提升農(nóng)民生活質(zhì)量,全面加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)步伐。未來(lái)能源林業(yè)和能源農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展,還將增加農(nóng)村就業(yè)機(jī)會(huì),提高農(nóng)民收入,推動(dòng)農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè),振興農(nóng)村經(jīng)濟(jì)。(2)中國(guó)能源的持續(xù)利用能源安全不僅包括能源供應(yīng)的安全,也包括由于能源生產(chǎn)與使用所致的生態(tài)環(huán)境安全。我國(guó)是一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),又是以煤為主要能源消費(fèi)的國(guó)家,煤炭消費(fèi)量占我國(guó)一次能源消費(fèi)總量的75%以上,接近世界同類(lèi)國(guó)家平均值3倍;我國(guó)人均能源資源占有量卻不到世界平均水平的一半。據(jù)估計(jì),我國(guó)煤炭資源最多可利用150a;已探明的石油資源為32億t,石油總儲(chǔ)量為300~600億t。以目前的消費(fèi)速度粗略估算,到2030年石油資源將只剩下18%,到2037年將可能全部耗盡。石油進(jìn)口依賴(lài)度逐年上升,2004年原油生產(chǎn)量1.747億t,而消費(fèi)量猛增到3.0億t,凈進(jìn)口原油達(dá)到1.17億t。近年來(lái),多個(gè)省市拉閘限電,預(yù)示著國(guó)家電力供應(yīng)告急。中國(guó)的能源儲(chǔ)量與未來(lái)幾十年的發(fā)展需求之間已經(jīng)存在巨大的缺口,從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度來(lái)看,將經(jīng)濟(jì)發(fā)展建立在石油、煤炭等不可再生能源的基礎(chǔ)上是不適宜的。只有通過(guò)節(jié)約能源、開(kāi)發(fā)新的可替代能源才能解決這一問(wèn)題。我國(guó)傳統(tǒng)的生物質(zhì)資源為6.5億t,發(fā)展能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)還至少可提供相當(dāng)于10億t標(biāo)準(zhǔn)煤的能源資源,發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是解決能源安全的重要選擇之一。(3)開(kāi)發(fā)凈化空氣我國(guó)的煤炭消費(fèi)量的80%是直接燃燒,造成環(huán)境污染問(wèn)題嚴(yán)重,除城市煙塵污染外,酸雨現(xiàn)象也頻頻發(fā)生。在沒(méi)有切實(shí)可行辦法控制礦物燃料使用過(guò)程中產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境污染的情況下,減少使用量,開(kāi)發(fā)潔凈可替代能源是唯一的解決辦法。我國(guó)尚有近1億hm2宜農(nóng)、宜林荒山荒地,可用于發(fā)展能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè),是發(fā)展?jié)崈艨商娲茉吹闹匾Y源。農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境形成了越來(lái)越大的面源污染壓力,通過(guò)實(shí)施生物質(zhì)能源利用技術(shù),使生活垃圾和各種農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化成為清潔能源和有機(jī)肥,變“廢”為“寶”,從根本上解決農(nóng)村普遍存在的“畜牧公害”和“秸稈問(wèn)題”。(4)高分子材料特點(diǎn)人們?nèi)沼貌牧虾艽笠徊糠质鞘透碑a(chǎn)品,一旦石油出現(xiàn)短缺,必然引發(fā)石油相關(guān)產(chǎn)品(石化材料、工程塑料、電子原器件)等短缺的連鎖效應(yīng),將嚴(yán)重影響到人們的日常生活。高分子材料是材料工業(yè)的重要支柱,現(xiàn)有的高分子材料基本上以石化資源為原料。我國(guó)年產(chǎn)1500萬(wàn)t各類(lèi)塑料制品,要消耗數(shù)以千萬(wàn)t的寶貴的輕油資源和大量天然氣;還要形成約500萬(wàn)t的難以降解的塑料垃圾。尤其是農(nóng)用塑料薄膜,每年生產(chǎn)、使用150萬(wàn)t,基本上不能回收,大部分殘留于農(nóng)田。因此,開(kāi)發(fā)可替代能源的新材料是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的頭等大事,生物質(zhì)材料的應(yīng)用將形成一場(chǎng)新的減少資源利用的工業(yè)革命,引領(lǐng)出一批新的產(chǎn)業(yè)。2制定并實(shí)施開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃自上世紀(jì)70年代的“石油危機(jī)”后,生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用引起了世界各國(guó)政府和科學(xué)家的關(guān)注,許多國(guó)家都制定和實(shí)施了相應(yīng)的開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃。如日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”、印度的“綠色能源工程”、巴西的酒精能源計(jì)劃等。美國(guó)農(nóng)業(yè)部與能源部、環(huán)保署協(xié)同于2002年制定了生物質(zhì)能/材料研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃等。(1)種植生物,培養(yǎng)能源作物世界上生物質(zhì)資源數(shù)量龐大,形式繁多,除了小規(guī)模使用的傳統(tǒng)生物質(zhì)能(農(nóng)林廢棄物和加工廢棄物)外,可以大規(guī)模用于代替常規(guī)能源的生物能將成為未來(lái)可再生能源的主體,尤其是為了生產(chǎn)能源而種植的能源作物。以科學(xué)的方法培育高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)的能源植物是發(fā)展生物質(zhì)能的根本保障。如:速生的桉樹(shù),每年產(chǎn)量可達(dá)30~50t/hm2,甘蔗的年產(chǎn)量在40~80t/667m2,甜高粱是普通高粱的變種,每公頃可產(chǎn)10t籽粒和100莖稈,單位面積產(chǎn)糖量達(dá)到甜菜產(chǎn)糖量的2.5~2.7倍。美國(guó)、巴西、南非、阿根廷、印度等國(guó)都開(kāi)展了培育和種植甜高粱及其生產(chǎn)燃料乙醇方面的研究與開(kāi)發(fā),而且取得了成果,中國(guó)在甜高粱木薯、菊芋、黃連木、麻瘋樹(shù)和耶路撒冷菜薊(Artichoke)等的開(kāi)發(fā)上成果顯著。(2)覆蓋汽車(chē)用燃料燃料乙醇是國(guó)際上近年來(lái)最受關(guān)注的石油替代燃料之一,在汽油中摻入10%~15%的乙醇可使汽油燃燒得更完全,減少CO2的排放量。巴西2002年產(chǎn)乙醇1200多萬(wàn)t,全面覆蓋汽車(chē)用燃料并大量出口美國(guó)。2000年,美國(guó)生產(chǎn)600萬(wàn)t玉米乙醇,相當(dāng)于汽油消耗量的1%。據(jù)估計(jì),如果美國(guó)農(nóng)林廢棄物都利用起來(lái),可替代美國(guó)國(guó)內(nèi)40%的汽油。我國(guó)已在黑龍江、吉林、河南和安徽4省建設(shè)陳化糧生產(chǎn)燃料乙醇工程,并已在全國(guó)10余個(gè)城市開(kāi)展了添加10%乙醇的汽油燃料應(yīng)用示范工作。利用數(shù)量巨大的農(nóng)作物秸稈和林產(chǎn)下腳料(含木質(zhì)纖維素)制取燃料乙醇是解決原料來(lái)源和降低成本的主要途徑之一,已經(jīng)列入我國(guó)的“十五”、“十一五”科技發(fā)展計(jì)劃中。(3)生物柴油生產(chǎn)發(fā)生快速增長(zhǎng),生物柴油生產(chǎn)已全面啟動(dòng)利用大豆、油菜和食物殘(廢)油生產(chǎn)生物柴油很有前途。目前美國(guó)生物柴油年生產(chǎn)能力為100萬(wàn)t以上;歐盟2001年已超過(guò)100萬(wàn)t,計(jì)劃在2020年使生物柴油的市場(chǎng)占有率達(dá)12%;意大利已擁有9家生物柴油的生產(chǎn)廠(chǎng);德國(guó)2000年已達(dá)25萬(wàn)t,擁有300多個(gè)生物柴油加油站,1999年,德國(guó)Choren公司成功開(kāi)發(fā)了生物質(zhì)間接液化生產(chǎn)合成柴油,2003年開(kāi)始建設(shè)年產(chǎn)量達(dá)10萬(wàn)t工業(yè)示范工程,預(yù)計(jì)2005年投產(chǎn)運(yùn)行。美國(guó)能源署要求,到2010年,美國(guó)要將生物柴油產(chǎn)量提高到1200萬(wàn)t。在“十五”期間,我國(guó)已在攻關(guān)計(jì)劃和“863”計(jì)劃中立項(xiàng),開(kāi)展野生植物油,如綠玉樹(shù)(Euphorbiatirucalli)和廢食用油生產(chǎn)生物柴油的研究。(4)生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)生物質(zhì)發(fā)電在發(fā)達(dá)國(guó)家已受到廣泛重視,主要工藝分3類(lèi):生物質(zhì)鍋爐直接燃燒發(fā)電、生物質(zhì)-煤混合燃燒發(fā)電和生物質(zhì)氣化發(fā)電。美國(guó)的生物質(zhì)直接燃燒發(fā)電占可再生能源發(fā)電量的70%;意大利發(fā)展了12MW生物質(zhì)IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù))示范項(xiàng)目,發(fā)電效率達(dá)31.7%;瑞典正試驗(yàn)加壓氣化BIGCC;我國(guó)已開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用20多套MW級(jí)生物質(zhì)氣化發(fā)電系統(tǒng)。國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)已建設(shè)4MW規(guī)模生物質(zhì)(秸稈)氣化發(fā)電的示范工程,系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)到30%左右。(5)分離系統(tǒng)和發(fā)酵系統(tǒng)均有較好的發(fā)酵能力近年來(lái)畜禽糞便生產(chǎn)沼氣的技術(shù)在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快,在成套熱電沼氣工程技術(shù)、不同型號(hào)氣-油聯(lián)合發(fā)電機(jī)、大型實(shí)用型沼氣發(fā)酵罐體、儲(chǔ)料罐體、預(yù)處理和輸配氣和輸配電系統(tǒng)等方面均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)沼氣的發(fā)源地———中國(guó)。英國(guó)有45座大型沼氣工程;瑞典2000年前后的2年內(nèi)建造了5座大型沼氣發(fā)酵裝置;丹麥2000年之前已經(jīng)建造了19座集中沼氣場(chǎng)和18座農(nóng)場(chǎng)沼氣裝置;德國(guó)建立了以沼氣發(fā)電并網(wǎng)為基礎(chǔ)的環(huán)境保護(hù)策略,吸納剩余勞動(dòng)力。我國(guó)農(nóng)業(yè)部組織開(kāi)展的以沼氣技術(shù)為核心的生態(tài)富民工程和以能源環(huán)境相結(jié)合的大型沼氣項(xiàng)目規(guī)模和數(shù)量還很??;在干發(fā)酵、沼氣發(fā)電等方面正進(jìn)入探索性研究。(6)合成柴油的方法生物質(zhì)液化分為直接液化和間接液化。生物質(zhì)直接液化也稱(chēng)為生物質(zhì)熱解液化,生物質(zhì)熱解液體產(chǎn)物呈棕黑色,粘度和中等的燃料油近似,含氧量高,熱穩(wěn)定性好,熱值約為17MJ/kg。生物質(zhì)間接液化是先將生物質(zhì)進(jìn)行高溫氣化,得到合成氣,經(jīng)凈化后,合成二甲醚或甲醇等液體燃料,或進(jìn)一步合成生產(chǎn)合成柴油。國(guó)際能源署(IEA)組織了包括Batelle、MIT等國(guó)際著名大學(xué)及實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的10余個(gè)研究小組進(jìn)行20余年工作;加拿大西安大略大學(xué)開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)直接超短接觸液化技術(shù),大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成本僅為50加元/t(約合300人民幣元/t),是生物質(zhì)液化技術(shù)重大突破;德國(guó)TUBINGEN大學(xué)開(kāi)發(fā)了低溫裂解裝置處理城市垃圾,加料流量達(dá)2000kg/h;美國(guó)太陽(yáng)能研究所建立了不同工藝的生物質(zhì)裂解油試驗(yàn)裝置,產(chǎn)油率達(dá)70%左右;我國(guó)在熱解液化方面做了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作,中試裝置的建設(shè)已在國(guó)家十五“863計(jì)劃”中完成。(7)知識(shí)產(chǎn)權(quán)在非織造材料中的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外企業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)材料的開(kāi)發(fā)利用非常重視,已開(kāi)展大量工作。全世界每年生產(chǎn)可再生淀粉4000萬(wàn)t以上,可再生纖維素(Cellulose)、半纖維素(Hemicellulose)、木質(zhì)素(Lignose)1500億t,但目前的利用率還不到總量的5%。美國(guó)眾議院通過(guò)一項(xiàng)農(nóng)業(yè)法案,批準(zhǔn)在2002年撥款500萬(wàn)美元,2003~2007年,每年撥款1400萬(wàn)美元,資助生物質(zhì)材料研究;富士通公司用玉米淀粉塑料(PLA,聚乳酸脂)制成的電腦機(jī)殼和其它配件已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用。美國(guó)DuPont公司和GenecorInternational公司合作建成的用玉米生產(chǎn)1,3-丙二醇(POD)的生產(chǎn)成本可以比化學(xué)法降低25%。中國(guó)石化正在研究聚乳酸的紡絲和加工應(yīng)用技術(shù)。1.3-丙二醇和對(duì)苯二甲酸,縮聚得到聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)是非常優(yōu)良的聚酯新品種[10,11,12,13,14,15,16,17,18]。聚乳酸具有良好的生物相容性和生物降解性,有一定的融化性能和組合性能,聚乳酸生產(chǎn)已經(jīng)引起了國(guó)外的高度重視,被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦铜h(huán)保產(chǎn)業(yè)。3建設(shè)生物燃料、生物柴油生產(chǎn)在現(xiàn)階段,生物質(zhì)能源與生物質(zhì)利用的目標(biāo)是完成單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破和中試研究,同時(shí),利用現(xiàn)有適用技術(shù),建設(shè)現(xiàn)代生物質(zhì)能源一體化系統(tǒng)的工業(yè)示范工程和新型生產(chǎn)型沼氣工程示范。在近1億hm2宜農(nóng)、宜林荒山荒地,種植能源林10000hm2和能源作物5000hm2,可分別建設(shè)3個(gè)年生產(chǎn)能力達(dá)到10~20萬(wàn)t燃料乙醇、2~5萬(wàn)t生物柴油、2~5萬(wàn)t生物油規(guī)模的生產(chǎn)廠(chǎng),年沼氣發(fā)電能力達(dá)到140億kWh和5000萬(wàn)t固化成型燃料,減少1.6億tCO2排放量。在化工原料、交通材料、建筑材料等材料領(lǐng)域取得一批適合我國(guó)資源和市場(chǎng)特點(diǎn),且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的理論技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品,力爭(zhēng)在上述領(lǐng)域趕上發(fā)達(dá)國(guó)家水平,延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的價(jià)值鏈,提升農(nóng)產(chǎn)品的深加工水平,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。(2)生物質(zhì)新材料生物質(zhì)能源與生物質(zhì)利用的方向是改變農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu),加快農(nóng)村“三生”(生產(chǎn)、生態(tài)和生活)工程、循環(huán)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè),使農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)領(lǐng)域向外拓展的可靠途徑。根據(jù)各種生物質(zhì)資源的結(jié)構(gòu)與化學(xué)特性,開(kāi)展應(yīng)用研究,重點(diǎn)研究實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)材料高效綜合利用的生物技術(shù)、化學(xué)改性技術(shù)、復(fù)合技術(shù)、合成技術(shù)及樹(shù)脂化技術(shù)。以系統(tǒng)工程的組織形式,圍繞未來(lái)全球市場(chǎng)和科技發(fā)展趨勢(shì)以及中國(guó)可供資源特點(diǎn),以拓展資源的高附加值產(chǎn)出為根本目標(biāo);以資源培育與加工關(guān)系研究為起點(diǎn),重點(diǎn)在農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源高效利用和替代礦物資源等層面上開(kāi)展多學(xué)科的綜合基礎(chǔ)性應(yīng)用研究。(3)發(fā)展的關(guān)鍵(1).能源作物的利用技術(shù)。我國(guó)能源作物的培育主要是對(duì)具有高光合效能、抗逆性強(qiáng)、不與或少與農(nóng)作物(特別是糧食作物)爭(zhēng)地的能源作物(包括纖維素類(lèi)、糖類(lèi)、淀粉類(lèi)植物和油料作物)的資源、種植技術(shù)、初加工技術(shù)的開(kāi)發(fā);開(kāi)發(fā)速生、抗逆性強(qiáng)的能源林木育種與栽培技術(shù);開(kāi)發(fā)適用于能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)的生物質(zhì)收集、運(yùn)輸和預(yù)處理技術(shù)與設(shè)備以及農(nóng)業(yè)廢棄物的收集和預(yù)處理設(shè)備。(2)生物柴油及生物油的生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)能值密度低體積龐大的農(nóng)、林物料的就地處理技術(shù);秸稈和林木下腳料高效氣化技術(shù);大中型沼氣換代技術(shù);生物質(zhì)生產(chǎn)燃料乙醇技術(shù)及工業(yè)化體系;木質(zhì)纖維素生產(chǎn)燃料酒精工藝與關(guān)鍵技術(shù)(高效水解工藝與設(shè)備;高效纖維素水解酶的篩選和改造;先進(jìn)的乙醇發(fā)酵與精制工藝和設(shè)備);糖-淀粉類(lèi)生產(chǎn)燃料酒精技術(shù)(低成本高效常規(guī)乙醇發(fā)酵工藝與設(shè)備改造;先進(jìn)、低成本的燃料酒精精制工藝和設(shè)備);利用植物油生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)與設(shè)備;利用廢棄食用油和動(dòng)物脂肪生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)與設(shè)備;利用微生物工程藻生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)與設(shè)備;生物油和合成柴油生產(chǎn)技術(shù);合成氣生產(chǎn)合成柴油工藝與關(guān)鍵技術(shù);以植物纖維氣化生產(chǎn)可燃?xì)夂托笄菁S便厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣為原料合成生物油技術(shù);農(nóng)林纖維素類(lèi)廢棄物裂解液化開(kāi)發(fā)生物油的工藝和設(shè)備等。(3)按化學(xué)成分的發(fā)展趨勢(shì),主要有利用膜、木基復(fù)合材料、木質(zhì)素針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)淀粉基可降解塑料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),開(kāi)展可完全降解的聚合型生物降解塑料等高分子材料的研究;利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化聚酯及聚氨酯型生物可降解材料和地膜等方面的研究與開(kāi)發(fā);改善纖維素和其它高聚物的組合方法,開(kāi)展纖維素高值化和木質(zhì)素的改性與樹(shù)脂

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