CN106422422B - 用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统与操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统与操作方法,分离系统包括如下各组件，各组件间根据废液流动路径通过若干管道连接：a)至少三个带有液位监测机构的储液罐；b)设于各管道的阀门；c)水泵；d)至少一个可更换滤芯的过滤器；e)聚结分离器；f)设于各管道的流量监测机构；g)设于各管道的若干取样口；h)蓄水池。本发明可以加快废液流的油水分离速率和效率，同时实现整个工艺过程自动化控制。分离的液相组分纯度更高，分离工艺分成本更低。通过本发明更有效的废液流分离系统和方法，最终残留的不可分离残渣体积大幅度减小，极大的降低了项目结束后的残渣环保处理的总量和成本，提高经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及到一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的设备系统和操作方法。具体来说，涉及一种用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统与操作方法。
背景技术
煤炭地下气化(ISC)是一种通过对地下煤层的可控燃烧(不完全燃烧)和气化反应，把煤直接转化为气体产品的工艺过程。产品气通常被称为合成气，可以作为燃料生产、化工生产、发电等下游工艺的原料。该工艺过程集合了建井完井、地下采煤和煤气化工艺技术，具有安全性好、投资小、效益高、污染少等优点。
通过地面钻井直通煤层，给氧化剂注入和产品气输出提供了有效通道。一个用于氧化剂注入的钻井称为“注入井”，另外一个用于生产产品气的钻井称为“产品井”。定向水平钻井和垂直钻井都可作为注入井或产品井。
当煤层中有注入井、产品井和水平通道将二者连接起来时，此构造被称为一个煤炭地下气化(ISC)单元或井对。ISC单元包括燃烧区，气化区和热解区。通过煤炭地下气化生成的产品气(粗合成气)通常含有合成气(CO,CO2,H2,CH4等)以及其他杂质成分(固体颗粒，水，煤焦油，H2S,NH4,COS等)。粗合成气由经产品井输送至地面，再通过地面管线输送到下游装置进行处理和应用。
煤炭地下气化生产的产品气在进入下游应用前，需要对其进行一系列的处理除杂过程。产品气地面处理工艺中必不可少的一项是将产品气冷凝、清洗并分离出产品气流中夹带的液体杂质(煤焦油等)和少量固体杂质(煤灰等)，所述分离出来的杂质统称为废液流。该废液流主要包含废水(工艺水)和煤焦油(煤热解反应的液体副产品)。废水的含油浓度严重影响下游污水处理工艺中活性污泥、生物膜、生物细菌等的正常代谢过程并缩短其有效生物质的寿命，进而影响污水处理的性能和效率。于此同时，煤焦油中的含水量也不宜过高，直接影响副产品煤焦油的质量及其利用范围。目前对于含油污水分离采用的常规处理工艺为重力除油、混凝除油和浮选法等。根据已有专利文献，目前面临的主要问题包括：
(a)常规重力除油较难破坏煤炭地下气化废液里的油水界面膜，尤其针对含有较多含氧官能团(亲水基)的轻质煤焦油，其除油效率不佳，危害下游污水处理工艺。
(b)采用破乳剂可适当提高其油水分离效率，然而实际应用时废水中仍残留高度分散的油滴(轻质碳氢化合物)。同时，采用破乳剂成本较高，而且给废水引入其他化学品，增加了下游污水处理工艺的难度。
(c)采用浮选法虽然分离效果不错，但存在投资大，占地面积大，能耗多等问题。
发明内容
本发明的目的之一在于解决现有技术的不足，提供一种用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统。
本发明的目的之二在于提供一种用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统的操作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统，所述分离系统包括如下各组件，各组件间根据废液流动路径通过若干管道连接：
a)至少三个带有液位监测机构的储液罐：至少一个储液罐用于废液流的降温和预分离，至少一个储液罐用于储存和排放废水，至少一个储液罐用于储存和排放煤焦油，储液罐上部分别设有一个入口和一个出口，入口处直达储液罐中下部，出口处采用溢流出口用于排放煤焦油，储液罐下部设有一个出口，用于排放废水，储液罐底部设有一个出口，用于排放固体杂质，储液罐顶部装有排气口，用于排放废液流中残留的气体以及冷凝后产生的气体，液位监测机构用于确定储液罐内不同相之间的界面；
b)设于各管道的阀门，根据油水分离系统所需的不同功能，用于隔离和/或选择流动路径；
c)水泵，用于将储液罐内的废水传输到过滤器进行分离；
d)至少一个可更换滤芯的过滤器，用于去除废水中的煤灰及其他固体颗粒杂质；
e)聚结分离器，用于分离废水中高度分散的油滴；
f)设于各管道的流量监测机构，用于观测和控制废液流；
g)设于各管道的若干取样口，用于废水和煤焦油采样分析；
h)蓄水池，用于收集分离后的废水，并作为下游废水处理和/或循环利用的缓冲容器。
另一方面，本发明还提供了一种处理煤炭地下气化所产生的废液流油水分离方法，所述方法包括：
a)产品气除杂过程后产生的废液流进入第一个储液罐进行降温和预分离为煤焦油、乳胶液、废水和固体杂质；通过液位计和/或导波雷达液位变送器(GWR)控制各个出口的阀门；煤焦油通过储液罐上部的出口溢流进入第三个储液罐。当油水乳胶层接近煤焦油出口处，关闭煤焦油出口阀门；废水通过储液罐下部的废水出口由水泵输送到过滤器和聚结分离器；固体杂质沉积于储液罐底部，并通过底部排泄口定期收集；
b)经过预分离的废水进入到过滤器去除残留固体杂质后，再进入到聚结分离器进一步分离废水中分散的微小煤焦油液滴；聚结后的煤焦油通过玻璃观测口和/或电导率探头直接进入到第三个储液罐；废水直接进入到第二个储液罐，过滤器内沉积的固体杂质通过底部排泄口定期收集；
c)第二个储液罐主要用于存储经过分离后的废水；通过液位计和/或导波雷达液位变送器(GWR)控制各个出口的阀门；在该储液罐上部仍设有一个溢流出口(常闭)，用于输送经该储液罐进行二次分离后的煤焦油到第三个储液罐；当该储液罐内煤焦油液位达到预设位置时，开启煤焦油出口阀门；当油水乳胶层接近煤焦油出口处，关闭煤焦油出口阀门；二次分离后的废水通过该储液罐下部的废水出口排放到蓄水池，作为下游废水处理和/或循环利用的进料来源；通过该废水出口管线上的玻璃观测口和/或电导率探头控制废水的排放；一旦发现废水分离不完全，停止排放至蓄水池，同时开启回流通路至水泵、过滤器和聚结分离器进行循环分离；在该储液罐底部仍设有一个排泄口用于定期收集固体杂质或设备维护；
d)第三个储液罐主要用于存储经过分离后的煤焦油；通过液位计和/或导波雷达液位变送器(GWR)控制各个出口的阀门；分离后的煤焦油通过储液罐上部的溢流出口排放进行销售或煤焦油深加工处理；当油水乳胶层接近煤焦油出口处，关闭煤焦油出口阀门；分离后的废水通过该储液罐下部的废水出口(常闭)排放；当该储液罐内废水液位达到预设位置时，开启废水出口阀门；当油水乳胶层接近废水出口处，关闭废水出口阀门；该废水出口与第二储液罐废水出口共享管线至蓄水池或循环分离工艺，在该储液罐底部仍设有一个排泄口用于定期收集固体杂质或设备维护。
根据废液流量以及分离效果可分别增加每一步所需的不同储液罐数目或体积，以延长废液流在储液罐内的滞留时间，增强分离效果。如果下游应用对煤焦油产品的含水量要求较高，可以在第三个煤焦油储液罐出口处安装过滤器和聚结分离器用于分离煤焦油中高度分散的水滴，以满足下游应用要求。
为了使本发明更简单易懂，便于实际操作，一个或多个首选的具体实施方式将参照附图，仅以举例的形式进行描述。
附图说明
图1是储液罐剖面示意图。
图2是废液流油水分离系统示意图
图中：1.废液入口；2.废水出口；3.煤焦油出口；4.废气出口；5.残渣排泄口；6.储液罐；7.液位计；8.玻璃观测口；9.阀门；10.排气口；11.水泵；12.过滤器；13.聚结分离器；14.取样口；15.蓄水池；16.下游应用管线；17.煤焦油层；18.油水乳胶层；19.废水层。
具体实施方式
本发明涉及到一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)的设备系统和操作方法。具体来说，本发明公开了一种用于煤炭地下气化工艺(ISC)废液流油水分离系统与操作方法。
该系统具体描述包括可在不同供应商处购买的标准部件，以及特定设计和制造的部件。本发明的创新之处，根据单个部件和特制部件的不同特性和功能，筛选出最合适的部件整合出一套独有的设备系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种废液流油水分离系统，其中包括：
a)至少三个带有液位监测机构的储液罐：至少一个储液罐用于废液流的降温和预分离，至少一个储液罐用于储存和排放废水，至少一个储液罐用于储存和排放煤焦油，储液罐上部分别设有一个入口和一个出口，入口处直达储液罐中下部，出口处采用溢流出口用于排放煤焦油，储液罐下部设有一个出口，用于排放废水，储液罐底部设有一个出口，用于排放固体杂质，储液罐顶部装有排气口，用于排放废液流中残留的气体以及冷凝后产生的气体，液位监测机构用于确定储液罐内不同相之间的界面；
b)设于各管道的阀门，根据油水分离系统所需的不同功能，用于隔离和/或选择流动路径；
c)水泵，用于将储液罐内的废水传输到过滤器进行分离；
d)至少一个可更换滤芯的过滤器，用于去除废水中的煤灰及其他固体颗粒杂质；
e)聚结分离器，用于分离废水中高度分散的油滴；
f)设于各管道的流量监测机构，用于观测和控制废液流；
g)设于各管道的若干取样口，用于废水和煤焦油采样分析；
h)蓄水池，用于收集分离后的废水，并作为下游废水处理和/或循环利用的缓冲容器。
储液罐可以是任何形状，如圆柱体，正方体，长方体等。储液罐的数量和体积需满足整个工艺的预计废液总流量要求(根据项目规模，示范装置运行参数，质量和能量平衡模拟计算等确定)。选材需要考虑湿腐蚀性工作环境，一般选用内壁带有防腐镀膜的碳钢或不锈钢。
储液罐上部分别设有一个入口和一个出口，入口处直达储液罐中下部，出口处采用溢流出口用于排放煤焦油。储液罐下部设有一个出口，用于排放废水。储液罐底部设有一个出口，用于排放固体杂质。储液罐顶部装有排气口(常压)用于排放废液流中残留的气体以及冷凝后产生的气体，所有尾气集中处理后排放(一般采用活性炭吸附排放或直接排放至火炬)。储液罐内壁安装有液位计，用于确定储液罐内不同相之间的界面。
一个或以上储液罐用于废液流的降温(10-40C)和预分离，一个或以上储液罐用于储存和排放废水，一个或以上储液罐用于储存和排放煤焦油。
液位计可采用玻璃液位计、浮球液位计或密度液位计，用于确定储液罐内不同相之间的界面。可用导波雷达液位变送器(GWR)替代普通液位计，实现对整个系统的全自动化控制。在使用中，经过校正的导波雷达液位变送器的传感器可以感应废液流中被分离出来的油相、油水乳胶层和水相之间的界面，并通过数据记录传输装置向工艺控制系统提供实时数据，用于控制各个储液罐出口的阀门，实现全自动化控制。
阀门用于隔离和/或选择分离系统的流动路径。常用球型阀，可用电磁阀替换球型阀，实现对整个系统的全自动化切换和控制。
水泵用于将储液罐内的废水传输到过滤器进行分离，可选用电驱动或机械驱动水泵。水泵的最大工作压力和流量需根据匹配下游聚结分离器的工作参数。
一个或多个可更换滤芯的过滤器安装在聚结分离器的上游，用于去除经预分离后的废水中的残留固体杂质等，防止污染聚结分离器，减小设备维护频率。滤芯可选用石英，油脂，聚酯纤维，玻璃纤维，薄膜等材料。过滤器需定期清洗和更换，防止污染物堵塞和/或泄露。过滤器内沉积的固体杂质通过底部排泄口定期收集和处理。
聚结分离器用于分离废水中高度分散的油滴。它含两种滤芯，聚结滤芯和分离滤芯。预分离后的废水流入聚结分离器后，首先流经聚结滤芯，聚结滤芯将废水中极小的分散煤焦油液滴聚结成较大的液滴。绝大部分聚结后的煤焦油液滴可以靠自重从废水中分离除去，集结于上部煤焦油收集槽内。然后废水又流过分离滤芯，由于分离滤芯具有良好的亲水憎油性，从而进一步分离煤焦油液滴，最终，满足下游污水处理工艺要求的废水流出聚结分离器。
在另一个实施方案中，分离后的煤焦油含水量较低，通常可满足下游煤焦油产品销售或深度加工产品质量要求。如果下游应用对煤焦油产品的含水量要求较严格，可以在第三个煤焦油储液罐出口处安装过滤器和聚结分离器用于分离煤焦油中高度分散的水滴。其工作原理与分离废水中油滴的工作原理类似，通过聚结分离器处理后的煤焦油含水量可下降到1％以下。
玻璃观测口安装在每个出口控制阀门附近，用于直接观测排放的液流形态。在采用导波雷达液位变送器控制的自动化操作情况下，玻璃观测口可对整个系统起到一个校正监测的作用。同时，可采用电导率探头替换玻璃观测口实现自动化监测和操作。对于煤焦油出口处，当探测到电导率则自动关闭相应阀门。对于废水出口处，当电导率出现瞬时降低则自动关闭相应阀门。在采用手动操作，或自动化操作系统维护时，玻璃观测口可直接用于控制每个出口阀门的开闭。
取样口分别位于储液罐和聚结分离器的废水出口，以及储液罐的煤焦油出口，用于废水和煤焦油的采样分析。
蓄水池用于收集分离后的废水，并作为下游废水处理和/或循环利用的缓冲容器。蓄水池可以是任何形状，如圆柱体，正方体，长方体等，体积需满足整个工艺的废液总流量要求。蓄水池内壁衬垫选材需要考虑湿腐蚀性工作环境，一般可选塑料或聚合物材料内衬。
在附图，数字编号相同的部件为同一部件。
本发明中一个实施方案，储液罐剖面示意图如图1所示。储液罐上部分别设有废液入口1和煤焦油出口3。废液入口1的管线直达储液罐中下部，进入到废水层19。煤焦油出口3采用溢流出口用于排放煤焦油。储液罐下部设有一个废水出口2，用于排放废水。储液罐底部设有一个残渣排泄口5，用于排放分离后沉积的固体杂质。储液罐顶部装有排气口4(常压)用于排放废液流中残留的气体以及冷凝后产生的气体，所有尾气集中处理后排放。储液罐内壁安装有液位计7，用于确定储液罐内煤焦油层17，油水乳胶层18和废水层19之间的界面。废液流经过废液入口1进入到储液罐6进行降温和预分离后形成煤焦油层17，油水乳胶层18和废水层19。当煤焦油层17累积且超过煤焦油溢流出口3后，直接排放至下一个储液罐。废水层19通过储液罐下部的废水出口2排放至过滤器和聚结分离器进行处理。固体残渣通过储液罐底部的排泄口5定期收集。整个分离过程可通过液位计7的反馈数据连续自动控制，也可通过位于不同出口2和3的玻璃观测口手动控制。
本发明中另一个实施方案，废液流油水分离系统如图2所示。产品气除杂过程后产生的废液流通过废液流入口1进入第一个储液罐6进行降温和预分离为煤焦油17、乳胶液18、废水19和固体杂质。通过安装在储液罐内部的液位计和/或导波雷达液位变送器(GWR)7控制各个出口的阀门9。煤焦油17通过储液罐上部的出口3溢流进入第三个储液罐6。当油水乳胶层18接近煤焦油出口3处，关闭煤焦油出口阀门9。废水19通过储液罐下部的废水出口2由水泵11输送到过滤器12和聚结分离器13。固体杂质沉积于储液罐底部，并通过底部排泄口5定期收集。经过预分离的废水19进入到过滤器12去除残留固体杂质后，再进入到聚结分离器13进一步分离废水中分散的微小煤焦油液滴。聚结后的煤焦油通过玻璃观测口8直接进入到第三个储液罐6。废水19直接进入到第二个储液罐6。过滤器内沉积的固体杂质通过底部排泄口5定期收集。第二个储液罐6主要用于存储经过分离后的废水19。通过液位计和/或导波雷达液位变送器(GWR)7控制各个出口的阀门9。在该储液罐上部仍设有一个溢流出口3(常闭)，用于输送经该储液罐进行二次分离后的煤焦油17到第三个储液罐6。当该储液罐6内煤焦油17液位达到预设位置时，开启煤焦油出口阀门9。当油水乳胶层18接近煤焦油出口3处，关闭煤焦油出口阀门9。二次分离后的废水19通过该储液罐6下部的废水出口2排放到蓄水池15，作为下游废水处理和/或循环利用的进料16来源。通过该废水出口2管线上的玻璃观测口8控制废水的排放。一旦发现废水分离不完全，停止排放至蓄水池15，同时开启回流通路至水泵11、过滤器12和聚结分离器13进行循环分离。在该储液罐底部仍设有一个排泄口5用于定期收集固体杂质或设备维护。第三个储液罐6主要用于存储经过分离后的煤焦油17。通过液位计和/或导波雷达液位变送器(GWR)7控制各个出口的阀门9。分离后的煤焦油17通过储液罐上部的溢流出口3排放进行销售或煤焦油深加工处理。当油水乳胶层18接近煤焦油出口3处，关闭煤焦油出口阀门9。分离后的废水19通过该储液罐下部的废水出口2(常闭)排放。当该储液罐内废水19液位达到预设位置时，开启废水出口阀门9。当油水乳胶层18接近废水出口2处，关闭废水出口阀门9。该废水出口与第二储液罐废水出口共享管线至蓄水池15或循环分离工艺。在该储液罐底部仍设有一个排泄口5用于定期收集固体杂质或设备维护。
本发明中另一个实施方案，废液流油水分离系统如图2所示。根据废液流量以及分离效果可分别增加每一步所需的不同储液罐6数目或体积，以延长废液流在储液罐内6的滞留时间，增强分离效果。同时，如果下游对煤焦油17产品的含水量要求较高，可以在第三个煤焦油储液罐6出口处安装过滤器12和聚结分离器13用于分离煤焦油中高度分散的水滴，最终可得到含水量符合下游应用要求的煤焦油17产品。
本发明的优势包括：相比于只依靠重力分离或破乳剂分离，本发明可以加快废液流的油水分离速率和效率，同时实现整个工艺过程自动化控制。分离的液相组分纯度更高，分离工艺分成本更低。由于液相组分的分离速率大幅度加快，分离的液相组分将实现更小流量、更高频率的连续处理和应用，减少了人工处理危险组分的流程和工作量。通过本发明更有效的废液流分离系统和方法，最终残留的不可分离残渣体积大幅度减小，极大的降低了项目结束后的残渣环保处理的总量和成本，提高项目的经济效益。
以上所述提及的“一个实施方案”包括在实施方案中描述的相关特性、结构、特征都与本发明的其中至少一个实施方案相关。因此，以上所述多次提及“一个实施方案中”的地方并非都特指同一个实施方案。此外，在实施方案中描述的相关特性、结构、特征可以以任何合适的方式一个或多个组合。
以上所述仅为本发明的优选实施方案而已，并不用于限制本发明。对于本领域的技术人员，本发明可以有各种变化和更改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统，其特征在于：所述分离系统包括如下各组件，各组件间根据废液流动路径通过若干管道连接：
a)至少三个带有液位监测机构的储液罐：至少一个储液罐用于废液流的降温和预分离，至少一个储液罐用于储存和排放废水，至少一个储液罐用于储存和排放煤焦油，储液罐上部分别设有一个入口和一个出口，入口处直达储液罐中下部，出口处采用溢流出口用于排放煤焦油，储液罐下部设有一个出口，用于排放废水，储液罐底部设有一个出口，用于排放固体杂质，储液罐顶部装有排气口，用于排放废液流中残留的气体以及冷凝后产生的气体，液位监测机构用于确定储液罐内不同相之间的界面；
b)设于各管道的阀门，根据油水分离系统所需的不同功能，用于隔离和/或选择流动路径；
c)水泵，用于将储液罐内的废水传输到过滤器进行分离；
d)至少一个可更换滤芯的过滤器，用于去除废水中的煤灰及其他固体颗粒杂质；
e)聚结分离器，用于分离废水中高度分散的油滴；
f)设于各管道的流量监测机构，用于观测和控制废液流；
g)设于各管道的若干取样口，用于废水和煤焦油采样分析；
h)蓄水池，用于收集分离后的废水，并作为下游废水处理和/或循环利用的缓冲容器。
2.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统，其特征在于：所述液位监测机构采用常规液位计；或者采用导波雷达液位变送器，实现对整个系统的全自动化控制。
3.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统，其特征在于：储液罐的形状任意，储液罐的数量和体积满足整个工艺的预计废液总流量要求，储液罐选材选用内壁带有防腐镀膜的碳钢或不锈钢。
4.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统，其特征在于：所述阀门采用球型阀；或者采用电磁阀，实现对整个系统的全自动化切换和控制。
5.根据权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统，其特征在于：所述流量监测机构采用玻璃观察口；或者采用电导率探头，以实现自动化监测和操作。
6.一种权利要求1所述的用于煤炭地下气化工艺的废液流油水分离系统的操作方法，其特征在于：
a)产品气除杂过程后产生的废液流进入第一个储液罐进行降温和预分离为煤焦油、乳胶液、废水和固体杂质；通过液位监测机构控制各个出口的阀门；煤焦油通过储液罐上部的出口溢流进入第三个储液罐，当油水乳胶层接近煤焦油出口处，关闭煤焦油出口阀门；废水通过储液罐下部的废水出口由水泵输送到过滤器和聚结分离器；固体杂质沉积于储液罐底部，并通过底部排泄口定期收集；
b)经过预分离的废水进入到过滤器去除残留固体杂质后，再进入到聚结分离器进一步分离废水中分散的微小煤焦油液滴；聚结后的煤焦油通过流量监测机构直接进入到第三个储液罐；废水直接进入到第二个储液罐，过滤器内沉积的固体杂质通过底部排泄口定期收集；
c)第二个储液罐存储经过分离后的废水；通过液位监测机构控制各个出口的阀门；第二个储液罐的溢流出口常闭，用于输送经该储液罐进行二次分离后的煤焦油到第三个储液罐；当该储液罐内煤焦油液位达到预设位置时，开启出口阀门；当油水乳胶层接近出口处，关闭出口阀门；二次分离后的废水通过第二个储液罐下部的废水出口排放到蓄水池，作为下游废水处理和/或循环利用的进料来源；通过该废水出口管路上的流量监测机构控制废水的排放，一旦发现废水分离不完全，停止排放至蓄水池，同时开启回流通路至水泵、过滤器和聚结分离器进行循环分离；第二个储液罐底部的排泄口用于定期收集固体杂质或设备维护；
d)第三个储液罐存储经过分离后的煤焦油，通过液位监测机构控制各个出口的阀门；分离后的煤焦油通过第三个储液罐上部的溢流出口排放进行销售或煤焦油深加工处理；当油水乳胶层接近出口处，关闭出口阀门；分离后的废水通过该储液罐下部的废水出口排放；当该储液罐内废水液位达到预设位置时，开启废水出口阀门；当油水乳胶层接近废水出口处，关闭废水出口阀门；该废水出口与第二储液罐废水出口共享管线至蓄水池或循环分离工艺，该储液罐底部排泄口用于定期收集固体杂质或设备维护。
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