CN102019132B - 二氧化碳回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二氧化碳回收系统。根据本发明的二氧化碳回收系统包括：吸收器，其将包含二氧化碳的排气引入与吸收剂接触，并使得吸收剂吸收在排气中的二氧化碳，吸收器在预定温度水平之上或之下可逆地吸收或者释放二氧化碳；再生器，其通过加热位于吸收器中的已吸收二氧化碳的吸收剂来释放吸收剂中的二氧化碳；回流管，其将从再生器再生的吸收剂流回吸收器；以及过滤器，其用于引入至少部分的吸收剂，除去聚集在所引入的吸收剂中的固体，并将除去固体之后的吸收剂返回到吸收剂被引入的部位附近。

Description

二氧化碳回收系统

相关申请的交叉引用

本申请基于，并要求于2009年9月10日提交的在先日本专利申请No.2009-208839的优先权；该专利申请以引用的方式全文结合到本文中。

技术领域

本文所描述的实施例总体上涉及一种二氧化碳回收系统，其用于回收动力生产系统等中的化石燃料(例如，煤)燃烧排气中包含的二氧化碳。

背景技术

如今，由于全球变暖的观点，抑制温室效应的气体的排放已成为了一种全球性的解决方案。抑制温室效应的气体中的二氧化碳的排放正是一种解决方案。解决方案涉及动力生产系统，例如自然能量的利用、核能发电的推广、节能、以及提高动力生产的效率都是积极地尝试。

另外，通过对当前动力生产技术的改进和革新，从使用占据了动力生产总量的大部分的化石燃料的燃烧排气中回收二氧化碳的技术已经发展为二氧化碳排放方法。在回收包含在燃烧排气中的二氧化碳的气体分离和净化技术中，有采用固体吸收剂的吸收方法、所述吸收方法衍生出来的一种技术的压力振荡吸收方法和温度振荡吸收方法、采用碱金属盐溶液的热碱方法、和采用具有微孔径的有机聚合物和无机物的膜分离方法等等。还有一种胺方法，其采用主要成分为链烷醇胺的吸收剂来进行化学吸收，在上述所描述的方法中，胺方法是目前世界上受到最多关注的方法。

在胺方法中，进行吸收操作使得主要成分是链烷醇胺的吸收剂吸收二氧化碳、以及通过对吸收了二氧化碳的吸收剂加热操作来释放已由吸附剂吸收的二氧化碳从而实现吸收剂的再生操作。从系统外部提供热量对于吸收剂的再生操作是很有必要的。

在胺方法中进行二氧化碳回收所需要的主要能量是再生操作的热量。当化石燃料的燃烧排气作为二氧化碳回收过程要处理的对象时，其通常是化石燃料燃烧产生的热量作为吸收剂再生操作的热源的情形。因此，构造一种用于二氧化碳回收的热量需求量小的装置是很有必要的。

另外，当煤等被用作燃料时，氧化硫、颗粒物等会混入到燃烧排气中。氧化硫、颗粒物等通常通过移除过程进行移除，但是少数组分的氧化硫、颗粒物等的残余物量会聚集在吸收剂中，有可能产生例如热交换器和运输机器(例如，泵)受污染、和吸收剂的组分改变等影响。另外，有可能吸收剂的变质产物和结构材料的腐蚀产物可以具有类似的效应。因此，上述限定的聚集在吸收剂中的杂质(少数组份)需要立刻被移除。另外，需要建立一种技术，使得通过移除过程造成的吸收剂损失和热量损失较小。

特开JP-A 2008-207123号公报公开了一种方法，其中在二氧化碳回收系统中提供过滤膜设备，蒸发器被设置来移除二氧化碳回收系统的吸收剂中聚集的固体物质，其用于加热和凝结过滤膜设备收集到的溶液中的杂质；特开JP-A 2008-238113号公报公开了一种方法，其中在二氧化碳回收系统内部提供了阴离子交换树脂塔，固-液分离器被设置在它之前的级上，用于移除吸收剂中固体物质和阴离子杂质，以上所揭示的两种方法用于解决上述所提出的问题。

在特开JP-A 2008-207123号公报中并没有清楚地描述所述过滤膜设备的操作，并且还有一种可能性就是，吸收剂保持将达到100℃的高温的热能或者来自再生塔的更多排放将会损失。再者，其并没有描述在高温环境中使用过滤膜材料的相关情况，并且还有一种可能性就是，由于所选择的材料的原因，杂质通过来自于过滤膜材料的洗脱材料落入到吸收剂中。

特开JP-A 2008-238113号公报描述了一种方法，其中离子杂质被阴离子交换树脂所移除。然而，众所周知，由于离子交换树脂的离子交换团的退化，从阴离子交换团获得的具有氨基的阳离子杂质被析出。因此，一种处理阳离子杂质的对策被通常地提出，就是在阴离子交换树脂的下一级设置阳离子交换树脂等等，但是这会带来吸收剂处于具有高浓度链烷醇胺的碱性环境下的操作问题。

进一步地，在特开JP-A 2008-238113号公报中还揭示设置阴离子交换树脂塔移除由于链烷醇胺中氧化变质产物产生的有机酸，但是阴离子交换树脂所固有的离子交换团公知地具有较低的耐热性和耐氧化变质性。因此，就产生了一个问题，阳离子的洗脱从具有氨基的阴离子交换团发生，并且如果阴离子交换树脂在链烷醇胺被氧化和变质的环境下使用，那么吸收剂中的杂质将会增加。另外，还有一种可能性，由于设备的污染会造成热损失，例如将热交换器设置在吸收剂循环路径中时，由于杂质的原因会造成热损失。本发明的另一个目的是提供一种抑制热损失的二氧化碳回收系统。

发明内容

根据本发明的一种二氧化碳回收系统包括：吸收器，其将包含二氧化碳的排气引入与吸收剂接触，所述吸收器在预定温度水平之上或之下可逆地吸收或者释放二氧化碳，并使得吸收剂吸收排气中的二氧化碳；再生器，其通过加热位于吸收器中的已吸收二氧化碳的吸收剂来释放吸收剂中的二氧化碳；回流管，其将在再生器再生的吸收剂流回吸收器；以及过滤器，其用于引入至少部分的吸收剂，除去聚集在所引入的吸收剂中的固体，并将除去固体之后的吸收剂返回到吸收剂被引入的部位附近。

过滤器由氟碳树脂构成的分离膜组成，或者由一种材料组成，在这种材料中过滤介质以微小颗粒物状态被网筛支撑。

一种由镍族合金构成的材料适用于微小颗粒物状态的过滤介质和网筛。

当以微小颗粒物状态存在的过滤介质被网筛所支撑而构成的过滤器由镍族合金构成时，所述过滤介质的比重将比吸收剂中的增加的固体物质要重，因此，当所述过滤器被清洗后，通过比重的差异而分离过滤介质和所增加的固体物质、收集过滤介质、并将它们重新放入到过滤器中，从而使得重复利用过滤介质成为可能。

附图说明

图1是示出了第一实施例的二氧化碳回收系统的结构的示意图。

图2是示出了第二实施例的二氧化碳回收系统的结构的示意图。

图3是示出了第三实施例的二氧化碳回收系统的结构的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图详细地描述本发明的实施例。

(第一实施例)

如图1所示，根据第一实施例的二氧化碳回收系统1包括吸收器101、排气冷却器102、热交换器103、再生器104、再沸器(再热器)105、吸收剂冷却器106、过滤器107、热交换器108、泵109、泵110和排气冷却器111。

产生于某个未示出的动力发生装置的排气(将要被处理的气体)从排气引入路径201被引入到吸收器101中。该排气包含在动力发生装置中燃烧煤所产生的二氧化碳。在经过例如脱硝、除尘、脱硫和冷却步骤后，排气通过排气引入路径201被引入到吸收器101的下端部位。吸收器101使得所引入的排气与吸收二氧化碳的吸收剂相接触，使得吸收剂吸收排气中含有的二氧化碳。

吸收剂从吸收器101的上端部位提供，其与来自吸收器101下端部位的排气相逆向接触。排气在其中的二氧化碳被吸收剂吸收之后，从吸收器101的上端部位通过排气导出路径202排放。排气冷却器102冷却来自排气导出路径202的排气。公知的现有技术都可以用来冷却排气。

例如，链烷醇胺溶液可以用作吸收剂、以及它的组份、类别等，并没有特殊地限制。吸收器101的操作温度可以任意设置，这取决于吸收剂的组份和类别以及吸收剂的再生度。例如，吸收器101被设置成其内部吸收剂的温度在大约30℃到70℃的范围。在吸收器101中吸收了在排气中包含的二氧化碳的吸收剂从吸收剂排放路径203排出，并通过泵110被引入到再生器104的上端部位。

从吸收器101引入的吸收二氧化碳之后的吸收剂被加热而释放其中的二氧化碳，吸收剂并在再生器104中再生。再沸器105用于加热吸收剂。再沸器105加热通过吸收剂引入路径206从底部进入再生器104的吸收剂。吸收剂加热后通过吸收剂排放路径207返回再生器104。

再生器104的操作温度可以任意设置，这取决于吸收剂的组份和类别以及吸收剂中的二氧化碳含量等。例如，再生器104可以被操作使得吸收剂的温度处于100℃到200℃的范围。含有通过加热从吸收剂中释放出的二氧化碳的气体(二氧化碳混合气体)在再生器104上端部位从二氧化碳混合气体排放路径205排出。排气冷却器111冷却从二氧化碳混合气体排放路径205排出的二氧化碳混合气体。公知的现有技术可以用于排气冷却器111。

在再生器104中释放完二氧化碳的吸收剂从吸收剂排放路径204排出，被泵109引入到吸收器101的上端部位。吸收剂冷却器106冷却通过吸收剂排放路径204引入到吸收器101中的吸收剂，直到其变为任意设定温度。引入到吸收器101中的吸收剂在吸收器101中作为二氧化碳吸收介质被重新利用。

热交换器103用于实现在吸收剂排放路径203中流动的吸收剂(低温)与在吸收剂排放路径204中流动的吸收剂(高温)之间的换热。也就是说，热交换器103冷却进入到吸收器101中的吸收剂，并加热进入到再生器104中的吸收剂。

在吸收剂引入路径206中流动的吸收剂的至少一部分通过吸收剂引入路径209被引入到过滤器107中作为过滤目标溶液。在排气被引入到吸收器101中之前，通过排气引入路径201进入到吸收器101中的排气被进行脱硫过程，使得通过电除尘收集器等除尘以及除去其中的氧化硫。然而，少量的颗粒物和氧化硫组份(少数组份)不能通过上述过程除去，而被混入到排气中，因此其中的一部分被聚集在吸收剂中。另外，例如吸收剂的氧化变质产物和从结构材料洗脱的物质的各种杂质被聚集在吸收剂中。聚集在吸收剂上的少数组份和杂质中的固体物质必需马上被移除，因为这可能导致例如热交换器和运输机器(例如，泵)的污染以及吸收特性的变化等影响。

过滤器107通过过滤移除在100℃到200℃下工作的高温吸收剂中聚集的固体物质。被过滤器107过滤了固体物质的吸收剂通过吸收剂排放路径208返回到吸收剂引入路径206。过滤器107包括由氟碳树脂构成的中空的纤维膜(分离膜)。聚集在吸收剂中的固体物质通过中空的纤维膜移除。氟碳树脂中空纤维膜是一种可以在高温碱性环境下使用的材料，例如，由PTFE构成的MF膜。

过滤器107的温度被操作与再生器104中的吸收剂的温度相一致。将过滤后从过滤器107排出的吸收剂返回到一个它的温度和二氧化碳含量与经由吸收剂引入路径209引入的吸收剂基本相同或者接近的部位是很有必要的。

热交换器108执行被引入来清洗热交换器108的回流溶液的回流水引入路径210中流动的回流水和回流水排放路径211中的回流水之间的换热。也就是说，热交换器108加热进入到过滤器107中的回流水，并冷却从过滤器107排出的回流水。

通过使用热交换器108，可以实现抑制从吸收剂引入路径209引入到过滤器107的吸收剂热损失。注意期望的是，并联地设置两个或多个过滤器107，当回流水被引入到过滤器107中时，各引入路径可切换成被使用。

如上所述，立刻移除吸收剂中聚集的少数组份和杂质中的固体物质是很有必要的，因为其可能会造成如热交换器和运送机器(例如，泵)的污染以及吸收剂特性的改变的影响。根据第一实施例的二氧化碳回收系统1包括移除固体物质的过滤器107，从而移除固体物质。因此，可能抑制设备污染，这些设备例如热交换器103、吸收剂的引入和排放路径、吸收剂冷却器106、以及设置在这些路径中的泵109、110。另外，可以抑制热交换器103、再沸器105等的热交换效率的降低，因为这些设备的污染可以被抑制。

过滤器107的温度被操作与再生器104中的吸收剂的温度相一致，过滤后从过滤器107排出的吸收剂返回到一个温度与通过吸收剂引入路径209引入的吸收剂基本相同或者接近的部位。因此，这使得在吸收剂温度的降低被抑制的情况下移除固体物质成为可能，这样就抑制了热损失。

包括热交换器108，其用于实现被引入来清洗所述热交换器108的回流溶液的回流水引入路径210中流动的回流水和回流水排放路径211中的回流水之间的换热，因此，可以抑制过滤后的回流过程中过滤器107所含有的热量的损失。

如上所述，根据第一实施例的二氧化碳回收系统1可以实现移除聚集在吸收剂中的固体物质的同时抑制热损失。因此，这样就可以在抑制热能消耗的同时有效地、适当地回收排气中所包含的二氧化碳。

(第二实施例)

图2是示出了根据第二实施例的二氧化碳回收系统2的结构简图。以下，将结合图2描述二氧化碳回收系统2的结构。与图1中描述的相同的和相应的组件将采用相同的附图标记表示，并且将不再给出重复描述。

二氧化碳回收系统2包括吸收器101、排气冷却器102、热交换器103、再生器104、再沸器(再热器)105、吸收剂冷却器106、过滤器107A、热交换器108、泵109、泵110、排气冷却器111和分离器112。

过滤器107A包括用于移除吸收剂中聚集的固体物质的微小颗粒状态的过滤介质、和环绕过滤介质的网筛。过滤介质和网筛的材料是镍族合金，在耐热性和耐碱性上具有良好性能。在第二实施例中，吸收剂引入路径209和回流水引入路径210被设置在吸收剂排出路径203上。在本实施例中，将过滤后从过滤器107A排出的吸收剂返回到一个它的温度和二氧化碳含量与通过吸收剂引入路径209引入的吸收剂基本相同或者接近的部位也是很有必要的。

分离器112分离经过回流水排出路径211引入的回流水中包含的固体物质和过滤器107A的回流期间的微小颗粒物状态的过滤介质。由镍族合金构成的过滤介质被分离器112分离，分离器112作为固液分离器，因为过滤介质的比重大于所述固体物质。被分离器112分离的过滤介质被收集，并通过过滤介质循环路径212在过滤器107A中构成过滤器107A而被重复利用。

如上所述，在第二实施例中，吸收剂引入路径209和回流水引入路径210被设置在吸收剂排出路径203的上游测，过滤器107A的过滤目标设置为吸收了二氧化碳之后的吸收剂，从排气聚集到吸收剂上的固体物质被立刻移除。因此，可以抑制设备的污染，这些设备例如抑收剂排放路径203、热交换器103和设置在吸收剂排放路径203上的泵110。

从过滤器107A排出的回流水中的过滤介质被分离器112分离和收集。因此可以重复利用分离器112分离和收集的过滤介质，并减少废物生成的总量。

如上所述，根据第二实施例的二氧化碳回收系统2，通过立刻移除包含在排气中的固体物质抑制固体物质作为杂质在整个二氧化碳回收系统2中的扩散，从而可能抑制设备的污染。这样就可以在抑制热能消耗的同时有效地、合适地回收排气中所包含的二氧化碳。进一步地，由于用于移除固体物质的过滤介质可以被重复利用，可能减少了废物生成的总量。

(第三实施例)

图3是根据第三实施例的二氧化碳回收系统3的结构简图。以下，将结合图3描述二氧化碳回收系统3的结构。与图1中描述的相同的和相应的组件将采用相同的附图标记表示，并且将不给出多余的描述。

根据第三实施例的二氧化碳回收系统3包括吸收器101、排气冷却器102、热交换器103、再生器104、再沸器(再热器)105、吸收剂冷却器106、过滤器107、热交换器108、泵109、泵110、排气冷却器111、氧气供应部分113和去氧部分114。

氧气供应部分113通过氧气混合气供应路径214向在吸收剂引入路径209中流动的吸收剂供应包含氧气的气体(氧气混合气)。用于加速气体分散的设备(例如管线混合器)、产生微小的泡沫的设备(例如，微泡沫产生装置)可以由氧气供应部分113用来向吸收剂供应氧气。

去氧部分114被设置在过滤器107的下一级，并且移除从过滤器107排放的经过过滤的吸收剂中包含的氧气。一种公知的去氧技术是通过惰性气体进行置换过程，在储气罐中的降压操作和气体分离膜中的吸收剂组份等都很小，因而可以用来在去氧部分114中移除氧气。在去氧部分114中被移除的包含了氧气的吸收剂通过去氧过滤排放路径215返回到吸收剂排放路径204中。

将二氧化碳回收系统3如下操作会产生有机酸：除了从聚集在吸收剂上的杂质中从排气引入路径201引入的排气中包含的少量颗粒和氧化硫组份之外，二氧化碳回收系统3还使用吸收剂以及来自结构物质的洗脱物质。因为金属离子氧化分解吸收剂，其中金属离子的主要成份是排气中包含的氧以及从结构物质中洗脱的铁离子，所以产生这种有机酸。

已知的是，铁离子在氧存在的情况下会加速吸收剂的氧化分解。抑制吸收剂的氧化分解所产生的变质产物的生成，增加吸收剂消耗的总量，以及维持吸收剂组份可以通过快速地移除铁离子而实现。因此，氧气混合气体从氧气供应部分113中供应到吸收剂中，以改善系统内部的氧气部分压力，因此加速铁离子形成氧化铁，所形成的氧化铁被第三实施例的二氧化碳回收系统3中的下一级的过滤器107移除。

从铁离子获得的杂质被供应的氧气所氧化而形成氧化铁(固体)，并在过滤器107中被移除，减少了在吸收剂中的铁离子浓度。因此，可以抑制由于氧化造成的吸收剂变质。

另外在第三实施例中，吸收剂引入路径209和去氧过滤排放路径215被设置在吸收剂排放路径204上，位于热交换器103的下一级。热交换器103的下一级中流动的吸收剂的温度低于再生器104内的吸收剂的温度，因此，适于分解所述氧气混合气体。另外，相比于吸收剂引入路径209和去氧过滤排出路径215被设置到已吸收二氧化碳之后的吸收剂上并且在再生器104的循环路径上的情形，可以抑制通过二氧化碳混合气排放路径205从再生器104排放的二氧化碳混合气中混入的氧气的量。

注意，与第一实施例相同，期望的是，将过滤后从过滤器107排出的吸收剂返回到一个它的温度和二氧化碳含量与经由吸收剂引入路径209引入的吸收剂基本相同或者接近的部位。

如上所述，根据第三实施例的二氧化碳回收系统3，通过移除包含在排气中的固体物质和移除系统内生成的铁离子组份，可以抑制吸收剂的变质和由于变质所生成的杂质和吸收剂消耗量。另外，通过立刻移除包含在排气中的固体物质和铁离子可以抑制杂质在整个二氧化碳回收系统3中的扩散，从而抑制设备的污染。因此，可以在抑制热能消耗的同时有效地、适当地回收排气中所包含的二氧化碳。

(其他实施例)

需注意的是，本发明并非限制于上述所描述的实施例，在示范性层面上，可以通过修正它的组件而实施，只要其范围没有违背本发明的精神。同时，上述实施例所揭示的多个组件可以适当地结合而形成各种发明。例如，所述实施例示出的所有组件中的一些可以被省略。更进一步地，不同实施例的组件之间可以适当的相互结合。

特别地，根据第一实施例的二氧化碳回收系统1或者根据第三实施例的二氧化碳回收系统3中的过滤器107可以替换成根据第二实施例的二氧化碳回收系统2中的过滤器107A。此时，氧气供应部分113可以被设置在过滤器107A的下一级。另外，根据第一到第三实施例的二氧化碳回收系统1到3中的过滤器107或者过滤器107A的设置位置可以在其他实施例中换成其他的设置位置。

尽管本发明描述了特定的实施例，然而这些实施例仅出于示范性的目的，并不出于限制本发明范围的目的。实际上，此处描述的新的设备和方法可以采用各种其他形式而实施；更进一步的，在没有脱离本发明精神的情况下，对于这里已经描述设备和方法的进行各种省略、替换、和改变都是允许的。所附权利要求以及它们的等同物欲以覆盖落入到本发明的精神和范围中的此类形式或者修正。

Claims (10)

1.一种二氧化碳回收系统，包括：

吸收器，其将包含二氧化碳的排气引入与吸收剂接触，并使得吸收剂吸收在排气中的二氧化碳，所述吸收器在预定温度水平之上或之下可逆地吸收或者释放二氧化碳；

再生器，其通过加热位于吸收器中的已吸收二氧化碳的吸收剂来释放吸收剂中的二氧化碳；

回流管，将在再生器再生的吸收剂流回吸收器；以及

过滤器，其用于引入至少部分的吸收剂、除去聚集在所引入的吸收剂中的固体物质、并将除去固体物质之后的吸收剂返回到吸收剂被引入的部位附近；

其中，所述过滤器由镍族合金构成，在所述镍族合金中过滤介质以微小颗粒物的状态被网筛支撑。

2.一种二氧化碳回收系统，包括：

吸收器，其将包含二氧化碳的排气引入与吸收剂接触，并使得吸收剂吸收在排气中的二氧化碳，所述吸收器在预定温度水平之上或之下可逆地吸收或者释放二氧化碳；

再生器，其通过加热位于吸收器中的已吸收二氧化碳的吸收剂来释放吸收剂中的二氧化碳；

回流管，将在再生器再生的吸收剂流回吸收器；

过滤器，其用于引入至少部分的吸收剂、除去聚集在所引入的吸收剂中的固体物质、并将除去固体物质之后的吸收剂返回到吸收剂被引入的部位附近；以及

氧气供应部分，其用于向引入过滤器的吸收剂供应氧气混合气。

3.一种二氧化碳回收系统，包括：

吸收器，其将包含二氧化碳的排气引入与吸收剂接触，并使得吸收剂吸收在排气中的二氧化碳，所述吸收器在预定温度水平之上或之下可逆地吸收或者释放二氧化碳；

再生器，其通过加热位于吸收器中的已吸收二氧化碳的吸收剂来释放吸收剂中的二氧化碳；

回流管，将在再生器再生的吸收剂流回吸收器；

过滤器，其用于引入至少部分的吸收剂、除去聚集在所引入的吸收剂中的固体物质、并将除去固体物质之后的吸收剂返回到吸收剂被引入的部位附近；以及

去氧部分，其用于除去从过滤器排出的包含在吸收剂中的氧气。

4.一种二氧化碳回收系统，包括：

吸收器，其将包含二氧化碳的排气引入与吸收剂接触，并使得吸收剂吸收在排气中的二氧化碳，所述吸收器在预定温度水平之上或之下可逆地吸收或者释放二氧化碳；

再生器，其通过加热位于吸收器中的已吸收二氧化碳的吸收剂来释放吸收剂中的二氧化碳；

回流管，将在再生器再生的吸收剂流回吸收器；以及

过滤器，其用于引入至少部分的吸收剂、除去聚集在所引入的吸收剂中的固体物质、并将除去固体物质之后的吸收剂返回到吸收剂被引入的部位附近；

其中，所述过滤器设置在从再生器到用于加热吸收剂的再热器的排放路径上。

5.如权利要求2至4中任一项所述的二氧化碳回收系统，其特征在于，所述过滤器由氟碳树脂构成的分离膜组成。

6.如权利要求1至4中任一项所述的二氧化碳回收系统，还包括：

分离器，其用于分离固体物质和过滤介质；

其中被分离器分离的过滤介质能重复利用。

7.如权利要求1至3中任一项所述的二氧化碳回收系统，其特征在于：

所述过滤器设置在从再生器到吸收器的排放路径上。

8.如权利要求1至3中任一项所述的二氧化碳回收系统，其特征在于：

所述过滤器设置在从吸收器到再生器的排放路径上。

9.如权利要求1至4中任一项所述的二氧化碳回收系统，还包括：

热交换器，其用于实现用于清洗过滤器的在引入路径中流动的回流溶液和在排放路径中流动的回流溶液之间的热交换。

10.如权利要求1至4中任一项所述的二氧化碳回收系统，其特征在于，并联地设置至少两个或多个过滤器。

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