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气化炉建议书
FM2.5常压流化床水煤气炉项目
建议书
设计证号:
3135
山西科灵环境工程设计技术有限公司
1概述
在能源资源中,煤炭是石油和天然气的17倍,是水力的33倍,占到73.4%。
在石化燃料中,煤炭就占到94.3%,煤炭是最主要的能源资源。
我国一次能源消费总量中煤炭消费比例占75%,居主导地位而且在未来相当长的时期内不会改变。
天然气、液化石油气、煤层气这些气体热值高,洁净,作为燃料是最理想的能源,但是其开采量有限,而且气源都集中在某个区域,要在全国各地都使用,长距离输配和储存其投资是巨大的。
煤炭储量丰富,运输简单,其它燃料是难以替代的,煤炭在国民经济发展中的地位是举足轻重的,但煤炭又是不洁净的能源,在使用过程中,会产生一系列的环境污染问题,制约着国民经济的可持续发展。
为了保证国民经济可持续发展,必须提高煤炭利用率,减少燃烧对大气的污染,发展洁净煤技术,而煤炭气化是洁净煤技术的重要内容之一,工业、民用的气体燃料和化工用原料气,煤炭气化也是必不可少的。
第二代煤气化技术八十年代应用在工业上,主要是提高了煤气压力和气化温度,扩大了煤气使用的广泛性,改善了环境,提高了经济效益。
第三代煤气化技术是上世纪九十年代开发研究的新的煤转化技术,比第二代煤气化技术更先进,气化炉生产效率高,单台处理煤量大,煤的适应性更广泛。
我国主要煤气化炉有加压鲁奇炉、水煤气两段炉、常压固定床水煤气炉、间歇式常压流化床水煤气炉。
加压鲁奇炉技术成熟,煤气热值高,质量稳定,气化效率高,便于管道输送,煤种适应性强,适合大型化煤气生产。
其特点是投资大,运行费用高,煤气成本高。
水煤气两段炉的特点主要是可以将伴生在煤气中的焦油、酚水分离回收。
常压固定床水煤气炉投资少,工艺成熟,建设周期短,其缺点是使用煤种范围小,煤价高,热值低,煤气成本高。
陶瓷烧制过程所采用的煤气,现均为固定床气化炉生产的发生炉煤气。
该煤气热值低,煤焦油等的处理较为麻烦,而且含酚污水的处理也较复杂。
江苏大学的专利技术,太原理工大学工程应用技术的利用,共同开发的常压间歇式流化床水煤气炉,该炉为常压间歇式流化床煤气化工艺,它使用0-13mm粉煤为原料,用空气和水蒸气既作气化剂又作流化介质,使粉煤在流化状态下燃烧与气化,即间歇制气。
间歇式常压流化床水煤气炉工艺简单,可以使用粉煤气化,技术条件优于其它炉型,因其使用煤种广,无伴生焦油、酚水,环保效果好,运行费用低。
2间歇式常压流化床水煤气炉技术简介
2.1间歇式常压流化床水煤气炉特点:
2.1.1使用煤种范围广,可适用于烟煤、褐煤以及贫煤,无烟煤。
便于就地取材,充分利用当地的煤炭资源;
2.1.2与固定床煤气化工艺比较,由于气化温度较高,因而副产蒸汽量提高,不仅可满足生产的需要,而且可部分外供。
2.1.3在生产过程中基本不产生焦油和酚类。
净化简便,易于达到环保要求。
2.1.4工艺流程简单,投资省,操作方便,易于自动化。
2.1.5可直接生产CO含量(体积分数)低于20%的中热值煤气,满足民用煤气对CO含量的要求。
2.2工艺流程的技术先进性
目前,常压流化床煤气炉已成功应用于城市煤气,并实现工业化。
常压流化床煤气炉也已应用在合成氨企业,从生产能力和经济运行都是可行的。
常压流化床煤气炉与传统的固定床煤气发生炉生产过程很相似,但由于炉内高温料层厚,制气工艺及设备相对简单。
常压流化床水煤气炉出口温度在800℃以上,在炉内的上部有一个较大的自由空间,可使煤气中的焦油和酚类物质进行高温热解。
因此常压流化床煤气炉无论何种煤,其粗煤气中均不含焦油和酚类,表1为煤气洗涤闭路循环水质化验结果。
表1、煤气洗涤闭路循环水质化验结果
序号
名称
数据
序号
名称
数据
1
COD
623.39
4
酸矸度
8.7
2
总油
3.8
5
总酚
0.64
3
悬浮物
22
6
总氰
1.08
表2、流化床水煤气炉、固定床水煤气炉及常压流化床气化炉
技术性能比较
项目
固定床水煤气炉
流化床水煤气炉
常压流化床水煤气炉
气化剂
空气+水蒸汽
氧+水蒸气
空气+水蒸气
工作原理
自热间歇工作,一个工作循环由6个阶段组成
自热连续工作
自热间歇工作,一个工作循环由2个阶段组成
使用煤种
无烟煤、焦炭
褐煤、次烟煤、半焦
无烟煤、贫煤、烟煤、褐煤、焦炭
煤的粒度/mm
25~50
0~6
0~13
炉子结构
结构复杂,有运动部件,维修量大
结构简单,无运动部件,维修量小
结构简单,无运动部件,维修量小
操作运行
一个工作循环有6个阶段,操作复杂,由于存在上、下吹气阶段,煤气和空气有混合可能
连续运行,易于自动化操作
一个循环有2个阶段,易于自动化操作。
由于吹风和气化是同向的,煤气和空气混合的可能性极小
生产能力/kg·(m2·m)-1
低,一般气化强度为300
高,一般气化强度为2000
中等,一般气化强度为500~800
煤气质量
按时间间隔操作,煤气成分易受工况变化影响
床层温度均匀,煤气成分稳定
按温度操作,床层温度均交,煤气成分稳定
煤气热值/kJ·m-3
10080
10080
11340
CO体积分数(%)
30~35
30~35
<20
蒸汽来源
要系统外供
自产蒸汽
自产蒸汽
稳定性
运转稳定可靠
运转稳定可靠
运转稳定可靠
环保
煤气中含有焦油和酚类,不易处理
煤气中不含焦油和酚类,只含灰尘,易于处理
煤气中不含焦油和酚类,只含灰尘,易于处理
煤气成本
高
高
低
投资
低
高
低
由此可以看出采用间歇制气工艺的流化床水煤气炉的技术优势和可用性远高于固定床水煤气炉。
2.3炉体结构
间歇式常压流化床水煤气炉由于采用间歇制气工艺,同一炉体兼有两种功能,燃烧和制气。
而且炉体形状能最大限度的使燃烧阶段的产物(吹风气)和制气阶段的产物(水煤气)区分开来。
2.4气化炉组成
气化炉包括气化炉本体,旋风分离器和返料器三部分组成。
旋风分离器分离效果在80%以上,返料器采用U型返料装置,由于返料器的流化介质和气化炉同步,使空气和水蒸汽交替进行。
2.5余热利用
间歇式常压流化床水煤气炉特点是炉出口温度高,这部分余热利用不仅关系到气化炉的热效率,而且后续设备也要求必须在炉出口设置余热锅炉,以吸收吹风气和煤气的显热。
为了降低系统阻力,采用热管式余热锅炉,蒸汽除供气化炉自用外还有富余。
2.6自动控制
由于气化炉的温度,压力等决定生产过程的参数控制调节通过DCS来实现,大大减少了劳动强度。
2.7FM2.5流化床气化炉的技术参数
2.7.1流化气化炉的几何尺寸:
公称直径:
Φ2.5m炉体外径:
3.924m
炉体总高约:
19.2m炉体安装总高度:
约21m2.7.2FM2.5流化床气化炉重量(煤仓及其储煤室不包括):
本体总量:
168t操作室:
175t
2.7.3原料煤:
耗煤量:
2.5~3.8t/h
原料煤要求:
粒度0~13mm(其中1mm以下<10%)
水分<10%
灰熔点>1250℃
热值Q>6000Kcal/kg·煤
热稳定性:
(ST+6)>55%
机械强度:
(25mm)>50%
2.7.4产气率:
水煤气1.0~1.15NM3/kg·煤
半水煤气1.8~2.2NM3/kg·煤
2.7.5煤气成分:
A.半水煤气成份:
H2:
39~46%CO:
24~28%
CO2:
10~13%N2:
20~22%
CH4:
<1.5%O2:
<0.2%
B.水煤气成份:
H2:
50~55%CO:
18~28%
CH4:
2~6%N2:
5~8%
CO2:
10~14%O2:
<0.4%
成份根据煤种不同和操作变化而变化。
2.7.6空气:
入炉空气压力:
≤30Kpa
入炉一次风空气流量:
≤18000NM3/h
二次风空气流量:
≤3600Nm3/h
散煤用空气流量:
≤200NM3/h
入炉前空气压力降应小于1Kpa
2.7.7蒸汽:
入炉蒸汽压力:
≤0.12~0.15Mpa
入炉蒸汽流量:
<4~6t/h
2.7.8煤气、烟气出口压力:
6Kpa,
出口温度:
1000~950℃
2.7.9灰渣量:
300kg/T·煤飞灰量:
280kg/T·煤
2.7.10吹风气成份:
CO2:
15~18.8%CO:
<4.5%
N2:
78~79.8%O2:
0.2左右
2.7.11吹风气量:
20000Nm3/h
3工艺数据图表
3.1FM2.5流化床气化炉(F101)简图(附后)
3.2返料器(M102)简图(附后)
3.3高温旋风分离器(S101)简图(附后)
3.4旋风分离器(A/B)(S102)简图(附后)
3.5洗汽塔(T101)简图(附后)
3.6第一余热回收器(E101)(不包括锅筒部分)
外形尺寸:
3350×3100×3850mm
设备总重:
38T操作室:
40T
工作压力:
0.4Mpa供水量:
2T
气体进口温度:
980℃,气体出口温度:
780℃
安装于气化炉与分离器之间,设备直接连结,不需加管段支撑
3.7蒸汽过热器(E102)(不包括锅筒部分)
外形尺寸:
4500×3150,H=1900F=50m2
材质:
15CrMo/碳钢
3.8第二余热回收器(E104)
外型尺寸:
(610+1800)×6750mm
压力:
管内0.4Mpa壳内0.7KpaF=493m2
材质:
CS/SS其SS:
340kg
3.9空气预热器(E103)
Φ1530×4050
F=120m2
管内P=7Kpa管间P=7KPa
3.10罗茨风机L94WD
P=29.4Kpa/3000mmH2OQ
Q=357m3/min
附:
(1)电机JS128-8,功率N=245KW
(2)西门子变频器,6E9535-1EM40250KW
3.11螺旋加煤机W103
加煤量:
3000kg/h加煤调节范围:
2000-6000kg./h
设备重量:
1200kg配置调速电机功率:
5KW
水套冷却
4间歇式常压流化床水煤气炉自动控制系统
控制是为生产服务,必须满足气化工艺要求。
吹风阶段:
罗茨鼓风机经变频器控制已设定的高速运转,鼓出的风要被从余热锅炉出来的烟气加热,然后进入气化炉内流化燃烧,把料层加热到设定的温度,停止鼓风。
相应产生的烟气经余热锅炉及空气预热器回收大部分热量后被除尘排空。
制气阶段:
从余热锅炉产生的蒸汽经节流减压控制进入中间缓冲汽包,稳压后流入蒸汽过热器,过热后经蒸汽阀进入气化炉内流化制气,所产煤气同样经余热锅炉回收热量后,经洗气塔洗涤降温后进入中间气柜贮存。
根据气化工艺过程和要求,目前所选择的控制方式大致分两类,一类是采用PLC程序控制,另一类是计算机集中调节控制(DCS)。
无论是PLC程序控制还是DCS调节控制,其生产过程实现控制环节构成都是通过控制油路的电磁阀驱动液压阀门来实现的。
由于间歇式常压流化床水煤气炉生产是由两个过程交替进行,为了做到节能,在控制鼓风时,两种控制方式都是通过PLC或计算机内存程序信号和变频器连接,从而实现罗茨鼓风机高低转速。
4.1PLC程序控制
4.1.1PLC程序控制所采用PLC内存控制接点较少,有一个显示窗口,操作是通过窗口及按键选择温度控制或时间控制,并且温控点或时间段可以按操作者意图随时输入改变。
对吹风和制气两过程控制分别如下:
PLC对吹风阶段控制过程
PLC对制气阶段控制过程
4.1.2间歇式常压流化床水煤气炉在气化阶段需要蒸汽流量稳定,因为蒸汽流量稳定与否决定了床层内流化状况和床层内所需热量利用情况,所以蒸汽流量一定要加以控制,对于使用PLC程序控制方式做不到量的调节控制,故采用以下方式:
蒸汽
4.1.3余热锅炉水位控制可采用仪表及电路限位控制(高低位点分别20%和80%),这种方式和锅炉上的水位控制是一样的。
4.1.4在气化炉生产时,要保持一定厚度的料层,因此加煤快慢要根据料层厚度进行加煤控制,确定加煤转速输入。
煤
输入加煤转速加煤入炉
4.1.5对于其它工艺的运行及状况,PLC程序控制方式只能采用线路报警提醒及手动操作来实现。
4.2DCS调节控制系统
4.2.1随着计算机应用,推广与发展,计算机控制技术已在工业生产中得到大量应用。
间歇式常压流化床水煤气炉生产工艺相对比较简单,可以实现用计算机全过程调节控制。
采用计算机集中调节控制气化炉生产过程与PLC程序控制方式基本相似,只是用计算机控制时把PLC部分当作下位机和上位机相连,而参数调整和控制方式(温控、时间控)选择放在上位机上操作,入炉蒸汽流量控制采用电动或气动式流量调节阀进行信号反馈回路调节。
如果气化炉台数较多,而鼓风由一个鼓风总管供给,此时运行的气化炉因各自情况不一样时,所需的鼓风量也不一样,只能采用计算机进行信号反馈回路式调节来实现风量的稳定。
设定流量定值流量大小信息反馈
蒸汽入炉
蒸汽
蒸汽流量控制
由鼓风管来空气入炉空气
设定值
流量大小信息反馈
鼓风流量控制
4.2.2余热锅炉水位控制
采用计算机集中调节方式控制时,余热锅炉水位控制有的采用前面叙述的仪表电路限位调节。
但要从锅筒压力与产生蒸汽量稳定方面考虑,则必须采用计算机回路调节方式进行,该方式调节液位时,也存在液位的高低限,但能做到差值较小,因此,保持锅筒压力与产生蒸汽量相对稳定,对气化炉生产是有利的。
4.2.3用户用量与煤气输供量的平衡调节
作为用户使用煤气时,就是要求煤气压力稳定,而煤气压力稳定与否与煤气供量是对应关系,因此,通过测的用户煤气压力数据,来及时调节煤气供量是正确的,煤气压力稳定可以使用户节能、安全。
设定值稳定鼓风量控制
去用户
稳定用户煤气压力控制过程
4.2.4工艺配套、设备启动
采用计算机集中调节控制方式时,可以做到对所有设备采取现场或计算机屏幕上起停,具体情况因站而定,但一般要求站内设备运行与停止都可在计算机屏幕上观察到。
4.2.5报警部分
由于计算机容量大,可以对所有的设备运行时参数不正常做出报警,提醒操作人员注意并加以调整,从而使生产正常进行。
对于间歇式常压流化床水煤气炉及其生产系统一般要求有以下报警内容:
1、锅筒水位、压力报警
2、平衡气柜高低位报警
3、洗涤水压力报警
4、各液压阀开关故障报警
5、用户煤气压力高低报警
6、站区内CO含量超限报警
7、备炉时炉顶、底压力差报警
8、出站煤气氧含量报警
9、煤仓料位报警
10、返料器风室与炉风室压力差值报警
11、余热锅炉进出口温差报警
4.2.6生产数据的记录、贮存及数据运算比较部分
由于计算机本身的功能,完全可以做到对有关生产数据记录或一定时间内贮存,还可以准确地统计生产过程中材料消耗与产量等数据,同时记录或贮存各种运行数据,能帮助和督促操作工人提高操作水平,为分析生产事故提供依据。
计算机对有关运行数据运算比较,对指导气化炉生产具有很大的意义。
间歇式常压流化床水煤气炉在运行时因各种操作变量不同,煤耗及煤气质量有较大差别,运行时要注意以下几组变量关系:
1、单循环内鼓风量、煤气产量、原料带出量间关系
2、单循环内煤气产量、蒸汽用量与蒸汽流量的关系
3、单循环内鼓风蓄热与制气吸热的关系
4、反应温度与煤气产量质量关系
4.3两种控制方式比较
两种控制方式都可以保障间歇式常压流化床水煤气炉正常可靠运行。
采用计算机集中调节控制方式比较适用于多台气化炉生产过程,用计算机屏幕显示还可以代替操作室内大量显示仪表,提高整个生产自动化水平,做到生产的科学、合理、安全、节能、降耗。
5间歇式常压流化床水煤气炉对原料煤的要求
间歇式常压流化床水煤气炉生产工艺过程为粉煤在流化状态下,先经空气鼓风加热至一定床层温度,后由蒸汽制气。
因此其最大特点是把流态化燃烧与水煤气气化技术结合起来,形成其粉煤气化工艺。
无论吹风还是制气均是在高温流化状态下进行,所以间歇式常压流化床水煤气炉和其它煤气炉相比,对原料的适应性很广。
对各种原料煤适应性分析:
5.1弱粘结性烟煤
弱粘结性烟煤也称褐煤或义马煤。
煤成分
Mad%
Aad%
Vad%
Fcad%
含量
1.26
18
34
49.26
生产的煤气成分:
煤气成分
CO
CO2
H2
CH4
N2
O2
含量
17
16
55.2
6.3
5.3
0.2
该煤的灰熔点较低(<1200℃),制气阶段加煤,运行平稳。
该煤活性较好,煤气产量较大,甲烷含量较高,所产煤气不含焦油。
该种煤适合间歇式常压流化床水煤气炉。
5.2无烟煤
无烟煤或晋城煤。
煤成分
Mad%
Aad%
Vad%
Fcad%
含量
1.26
14.6
8.54
75.71
生产的煤气成分:
煤气成分
CO
CO2
H2
CH4
N2
O2
含量
24
11.1
55.85
3.23
5.62
0.2
该煤细粉含量较高(1mm以下占18%),10mm以上颗粒占10%以上,料层厚度850-950mm,排渣正常,渣含碳量12%左右,煤气中不含焦油。
该煤种也完全适合于间歇式常压流化床水煤气炉。
5.3粘结性贫煤
粘结性贫煤或宝丰煤。
煤成分
Mad%
Aad%
Vad%
Fcad%
含量
0.37
27.99
13.83
57.81
生产的煤气成分:
煤气成分
CO
CO2
H2
CH4
N2
O2
含量
19.5
8.3
58.95
4.7
7.85
0.2
该煤灰熔点较高(1400℃),属于高灰煤,热值较低,机械强度与热稳定性较好,活性一般。
颗粒较大(15mm以上占10%),生产时对应鼓风量要大,以减小气化炉内的压力波动。
煤气中不含焦油,该煤种也完全适合间歇式常压流化床水煤气炉。
5.4机械度较差的煤
机械度较差的煤或密县煤。
煤成分
Mad%
Aad%
Vad%
Fcad%
含量
0.28
14
14.89
70.83
生产的煤气成分:
煤气成分
CO
CO2
H2
CH4
N2
O2
含量
17
9.8
56.34
7.24
9.42
0.2
该类煤粒度比较均匀,为0-8mm左右,其中1mm以下占40%以上,机械强度很差,在生产中煤颗粒会因碰撞磨擦产生大量细粉随煤气或烟气带出,因此,煤气产率较低。
但该煤种由于细粉含量较高,在制气加煤时,这些细粉迅速被高温干馏,致使煤气中的甲烷含量较高。
间歇式常压流化床水煤气炉也可使用该类煤种,但要控制煤粒度1mm以下<10%。
5.5高挥发份强粘结性烟煤
高挥发份强粘结性烟煤或平顶山煤。
煤成分
Mad%
Aad%
Vad%
Fcad%
含量
0.33
30.65
24.89
44.13
生产的煤气成分:
煤气成分
CO
CO2
H2
CH4
N2
O2
含量
18
9
59
7.5
6.3
0.2
该煤粘结性极强,选择在吹风阶段加煤,风量选择大一些(5300m3/h)。
煤气产量较大,煤气质量也较好。
为不使煤气中含有焦油,必须提高炉顶部温度,在一次风基础上增加二次风,让稀相区的颗粒或中间干馏产物燃烧,从而提高炉顶部温度,煤在高温下析出干馏产物所用时间极短,尤其是细粉,这些干馏产物在氧的作用下是不会转化成焦油的。
间歇式常压流化床水煤气炉能适应多类煤种,但随着煤种的不同,相应要调整操作工况及工艺参数。
6选择煤应注意的因素
6.1煤的机械强度和热稳定性
流化床水煤气炉在生产时,无论是吹风或制气,都是在流化或鼓泡状态下进行的,密相区颗粒间距较小,碰撞与磨擦很强,如果煤的机械强度或热稳定性较差,在炉内颗粒转化成细粉的量也较大,必然增加带出量与返料量,同时也使密相区加高,颗粒间距变大,不利于密相区把燃烧时所产生的热量大量蓄存,以供气化吸热反应。
若此时鼓风量较大,会造成炉顶温度升高,蒸气过剩较多,影响气化效率,并且生产难以控制。
6.2煤中的灰份含量
流化床水煤气炉在生产时,需要炉内维持较高的炭灰比,否则,产量将受到很大影响。
因此,灰含量较高的煤对提高煤气产量是不利的。
但间歇式常压流化床水煤气炉在生产时需要维持较高的料层才能保证产量和热效率。
高灰煤有利于维持炉内较高料层,并且灰中夹矸部分还能增加炉内料层的蓄热,因此,当煤含灰量适当时,对满足间歇式常压流化床水煤气炉的生产要求是完全可以的。
6.3煤的粒度
流化床水煤气炉的生产是在流化状态下进行的,从流化的角度讲,合理的粒度级配对流化是有利的,此时炉内压力稳定,相应地可以减少带出。
但煤料中细粉含量较高,会增加带出,使煤耗增加,同时也使炉顶温度增高,生产难以控制。
但若选择制气加煤,可以使煤气中的CH4含量增高。
原因是细粉在高温下干馏极快,干馏产物中CH4类进入到煤气中,使CH4含量高,相应CO降低。
相反,若所用的煤粒度过大,超出10mm以上若占到一定比例,物料不能完全流化,会使炉内压力波动较大,颗粒间碰撞磨擦加剧,产生二次细粉可能性增加,相应带出也较多,所排碴因大颗粒煤混入碴管内使排碴含碳量增加较多,甚至还会造成结碴的可能(不能完全流化就有可能造成局部温度过高)。
故对于流化床水煤气炉所使用的碎煤,细粉(1mm以下)含量过高,会增加能耗。
若此时超出粒度上限的大颗粒含量过高也是不可取的,因此,应适当限制煤的粒度,以增强生产稳定性和经济性。
6.4灰熔点和结碴性
流化床水煤气炉气化时,由于采用吹风升温与制气降温两个过程,严格按工艺操作规程操作,完全可以避免炉内结碴,做到连续可靠运行。
灰熔点较低或结碴性较强的煤在生产时不能选用较高的操作温度,从而使煤气产量受影响。
选用操作温度要比灰熔点低,从而使煤气中CO2含量增加,CO含量减少。
如果煤的热值偏低,且在操作时要时刻注意除碴口处结碴。
6.5煤的热裂解特性
不同的煤在热解时,热解速度、程度、产物是不一样的。
它不完全由挥发份的高低决定,是由煤本身性质决定。
如强粘结性烟煤(平顶山煤)和弱粘结性烟煤(义马煤)其挥发份含量都较高,但在燃烧时即使在同样炉顶温度下,平顶山煤所产煤气中含有焦油,而义马煤所产煤气中不含焦油。
因此,当选用强粘结性烟煤时,一定要调整操作工艺参数,避免煤气中携带焦油,还要防止炉内颗粒间结焦。
防止结焦可以调整增加鼓风量,以使加进的煤迅速和周围的炭灰混和,防止刚投入炉内的煤颗粒之间粘结。
6.6煤的活性
每种煤的活性都不一样,由于流化床水煤气炉在生产时选择的温度相对较低,因此高活性的煤对提高产量和煤气质量都是有利的,尤其是煤的低温活性直接决定了流化床水煤气炉的温度下限,低温活性越好,操作温度区间越大,相应制气时间越长,产量越大,蒸气自供平衡能力越强,效率越高。
所以当选择煤种时,要考虑煤的活性。
7土建
主厂房采用框架结构,不封闭。
8公用工程
8.1水
气化炉用软水,1
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