CN109765084B - 一种烟气分级采样系统及其采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟气分级采样系统及其采样方法，包括采样枪、PM10旋风分离器、三通阀门、颗粒物取样模块、焦油取样模块及气体取样模块；通过在采样时经采样枪采样后使用PM10旋风分离器，有效将烟气中10μm以上大颗粒物分离出来，烟气由三通阀门控制分别流向颗粒物取样模块或焦油取样模块及气体收集模块进行取样，使用时可自由选择取样相；本发明提供的系统可以同时有效采集烟气中三相产物，分析烟气各相产物质量浓度分布，简便易行，效果较好，成本较低，社会和经济效益高，对于控制污染物排放，保护环境和保护人体健康有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于烟气采样检测技术领域，具体涉及一种烟气分级采样系统及其采样方法。
背景技术
煤和生物质等固体燃料热利用产生的烟气成分十分复杂。烟气中固体颗粒物排放一定程度上引发雾霾，对人体健康造成伤害；所含焦油中许多有机成分如多环芳烃等具有致癌特性；气相产物如NOx, SOx以及CO等均可造成环境污染，国家已对此类物质排放划定严格标准。
目前，现有技术中所采用的颗粒物取样器多为小流量采样器或系统，流量通常10-20L/min。常见的采样器主要为撞击式采样器，包括LPI(Low Pressure Impactor)、DGI(DekatiGravimeric Impactor)、ELPI（Electrical Low Pressure Impactor）等采样器，采样时需要进行温度控制；其中，LPI低压撞击器每级采样量较少（小于1mg），对细微颗粒物中富集的痕量元素进行分析误差较大或不能达到检测限；电称低压冲击仪ELPI可实时测定颗粒物质量浓度，但在低浓度下准确度有待提高；DGI采样器，常用于颗粒物的大量采集(每级小于10mg)。有关焦油的收集，可采取的方法主要有：冷态补集法（CT）、固相吸附法（SPA）、微孔滤膜以及电捕焦油器；其中，冷态补集法收集效率最高；固相吸附法中吸附剂对吸附对象具有一定的选择性，故不易有效吸附焦油的所有成分，重复性低；微孔滤膜方法在焦油含量较低时收集效果欠佳；电捕焦油器主要用于电厂烟气处理，难以小型化。对于气相产物，烟气分析设备采用的原理主要为电化学分析法和光谱吸收法；电化学分析法因难以处理复杂气体情况，误差随使用时间增大等原因应用效果不佳；基于光谱吸收法有许多成熟的分析仪器，如FT-IR红外气体分析仪、德国Testo烟气分析仪等。
目前成熟的取样器多偏重于单相的取样，能够同时收集两相及以上烟气产物的取样系统较少；例如一种同时采集废气污染源分级颗粒物及气相有机物的采样装置和采样方法（中国专利申请号：CN201810251842）中公开的只采集颗粒物及气相产物；随着研究的深入，需要一种能够同时有效采集烟气中三相产物的系统，不仅可以得到排放烟气中的污染物质量浓度，还可以分析烟气中各相产物分布。
发明内容
针对现有技术中存在的不足及缺陷，本发明的目的是提供一种烟气分级采样系统及其采样方法，以实现同时采集烟气中的分级颗粒物、液相焦油和气相产物。
本发明提出以下的技术方案：
一种烟气分级采样系统，包括采样枪、PM10旋风分离器、颗粒物取样模块、焦油取样模块、气体收集模块及三通阀门；
采样枪的采样嘴与待采样烟气的烟道连通，采样枪的末端与PM10旋风分离器的进口连接，PM10旋风分离器的出口与三通阀门的第一端口连接；三通阀门的第二端口与颗粒物取样模块连接；三通阀门的第三端口与焦油取样模块连接，焦油取样模块与气体收集模块连接；
颗粒物取样模块包括颗粒分级取样装置；三通阀门的第一端口与颗粒分级取样装置的进口连接；
焦油取样模块包括颗粒过滤装置、水冷U型套管及收集瓶；三通阀门的第三端口与颗粒过滤装置的进口连接，颗粒过滤装置的出口与水冷U型套管的管侧进口连接，水冷U型套管的管侧底部设置收集瓶；水冷U型套管的壳侧内通有冷水；
气体收集模块包括真空泵；水冷U型套管的管侧出口通过管道与真空泵连接。
进一步的，颗粒物取样模块还包括混合罐和空气泵；混合罐设置在三通阀门与颗粒分级取样装置之间，三通阀门的第二端口与混合罐的第一进口连接，混合罐的出口与颗粒分级取样装置的进口连接；空气泵的进口与外界空气连通，空气泵的出口与混合罐的第二进口连接。
进一步的，颗粒分级取样装置采用DGI颗粒分级采样装置；DGI颗粒分级采样装置的收集层从上到下采用四层聚碳酸酯膜，从上到下四层聚碳酸酯膜上收集的颗粒物粒径依次为2.5~10μm、1~2.5μm、0.5~1μm及0.2~0.5μm；DGI颗粒分级采样装置的过滤层采用聚四氟乙烯滤膜，聚四氟乙烯滤膜孔径为0.45μm。
进一步的，气体收集模块还包括烟气阀门和烟气分析仪；烟气阀门的第一端口通过管道与水冷U型套管的管侧出口连接，管道上设置有第二流量计；烟气阀门的第二端口与烟气分析仪连接；烟气阀门的第三端口通过管道与真空泵连接，管道上设置有第三流量计。
进一步的，颗粒分级取样装置的出口通过管道与水冷U型套管的管侧进口连接。
进一步的，水冷U型套管包括第一U型套管和第二U型套管；第一U型套管和第二U型套管采用串联设置；水冷U型套管的壳侧内通入的冷水温度为0-5℃。
进一步的，采样枪、PM10旋风分离器、三通阀门、颗粒过滤装置及其连接管路的外侧均设置有加热丝，且包裹有保温层，温度控制在350-400℃；颗粒过滤装置与水冷U型套管的管侧入口之间的连接管道上设置有加热丝，连接管道上包裹有保温层，温度控制在350-400℃；三通阀门的第二端口、颗粒分级取样装置及其连接管道上设置加热丝，且包裹有保温层，温度控制在140-160℃。
本发明还提供了一种烟气分级采样方法，包括以下步骤：将采样枪伸入到待采样烟道的烟道空内，采样烟气由采样枪引入采样系统内；采样烟气通过颗粒物取样模块后，得到颗粒物；烟气通过焦油取样模块后，得到焦油；烟气通过气体收集模块后得的气体产物。
进一步的，颗粒物取样模块的取样时间为4-5min；焦油取样模块的取样时间为25-30min。
进一步的，采样枪引入的烟气流量控制在10NL/min，烟气温度为350-400℃。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明一种烟气分级采样系统，通过在采样时经采样枪采样后使用PM10旋风分离器，有效将烟气中10μm以上大颗粒物分离出来，烟气由三通阀门控制分别流向颗粒物取样模块或焦油取样模块及气体收集模块进行取样。
进一步的，通过设置混合罐及空气泵，在颗粒分级取样装置前加装稀释系统，优化颗粒分级取样装置的工作环境。
进一步的，细颗粒物主要通过DGI颗粒分级取样装置收集，分别取得2.5~10μm，1~2.5μm，0.5~1μm和0.2~0.5μm粒径颗粒物，焦油取样模块中烟气经过颗粒过滤装置，使用串联水冷U型套管可有效收集烟气焦油于底部收集瓶内，对于由颗粒物取样模块流入的烟气同时也可冷却收集残留焦油。
进一步的，气体收集模块内由真空泵以及流量计保证流量稳定，阀门控制通往烟气分析仪旁路的开关，可选择合适的烟气分析仪收集分析气相成分。本发明提供的针对燃煤或生物质产生烟气的取样系统，可同时有效收集烟气内各相成分，计算烟气中的污染物质量分布、质量浓度以及元素的迁移情况。
本发明设置采样枪，可以将要进行取样的350~400℃高温烟气以10L/min流量引入取样系统，等速取样；设置PM10旋风分离器，可以有效分离烟气中10μm以上大颗粒；设置三通阀门，可以自由选择颗粒物和焦油取样模块；设置颗粒物取样模块，包括DGI颗粒分级采样装置、空气泵、流量计和混合罐，可以将烟气中颗粒物按粒径等级为2.5~10μm，1~2.5μm，0.5~1μm和0.2~0.5μm分别取样，最后一级过滤层过滤剩余颗粒，取样前由空气泵泵入新鲜空气在混合罐中稀释烟气；设置焦油取样模块，包括颗粒过滤装置、串联水冷U型套管和配套的底部收集瓶，可以过滤进入模块的烟气中的颗粒物，使烟气中焦油冷凝为液相并进行有效收集；设置气体收集模块，包括两个流量计、烟气分析仪、阀门和真空泵，可以维持取样系统所需流量的稳定，收集分析烟气气相成分。
进一步的，从采样枪至三通阀门再至焦油取样模块中水冷装置前的部件及连接管路，缠绕加热丝，加装保温层，通过温度控制加热系统使得温度保持在350-400℃，保证焦油不会提前凝结影响焦油取样效果，温度保持在375℃时，焦油取样效果较佳；从三通阀门到DGI颗粒分级采样装置及其连接管路外缠绕加热丝，加装保温层，通过温度控制加热系统使得温度保持在140-160℃，防止水蒸气凝结，温度保持在150℃时，防止水蒸气凝结的效果较好。
进一步的，颗粒物取样模块、焦油取样模块以及气体收集模块封入箱内，使取样装置处易于装卸，使流量计易于观察，使模块间连接方便。
进一步的，三通阀门及烟气分析仪旁路阀门开关设于箱外，使易于操作。
进一步的，加装保温层部件间连接装置为金属部件，未加装保温层的部件间可用硅胶管连接。
进一步的，DGI颗粒分级采样装置中采用四层聚碳酸酯膜置于收集盘上方收集颗粒；最后一级为过滤层，滤膜采用聚四氟乙烯滤膜，滤膜孔径为0.45μm，可进一步过滤掉未被收集的烟气颗粒物。
进一步的，焦油取样模块中颗粒过滤装置采用聚四氟乙烯滤膜，滤膜孔径为0.45μm，可有效过滤颗粒物。
进一步的，U型套管为一体装置，配套底部收集瓶可拆卸。水冷温度控制在0-5℃，所用冷水箱和循环水泵封装于箱内。
附图说明
图1为本发明的同时烟气分级粒径颗粒物、焦油和气相产物的取样系统结构图。
图中，11采样枪，12PM10旋风分离器，2颗粒物取样模块，21混合罐，22颗粒分级取样装置，23第一流量计，24空气泵，3焦油取样模块，31颗粒过滤装置，32水冷U型套管，33为收集瓶，4为气体收集模块，41第二流量计，42烟气分析仪，43第三流量计，44真空泵，5为三通阀门，6烟气阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参考附图1所示，本发明提供的一种烟气分级采样系统，沿煤和生物质在热利用过程产生的烟气流动方向的顺次布置有采样枪11、PM10旋风分离器12、三通阀门5、颗粒物取样模块2、焦油取样模块3及气体收集模块4；
采样枪11的采样嘴与待检测烟气的烟道连通，采样枪11的末端与PM10旋风分离器12的进口连接，PM10旋风分离器12的出口与三通阀门5的第一端口连接，三通阀门5的第二端口与颗粒物取样模块2连接；颗粒物取样模块2与焦油取样模块3的一端连接；三通阀门5的第三端口与焦油取样模块3连接；焦油取样模块3与气体收集模块4连接。
颗粒物取样模块2包括混合罐21、颗粒分级取样装置22、第一流量计23及空气泵24；三通阀门5的第二端口与混合罐21的第一进口连接；混合罐21的出口与颗粒分级取样装置的进口连接，颗粒分级取样装置22采用DGI颗粒分级取样装置；空气泵24的进口与外界空气连通；空气泵24的出口通过管道与混合罐21的第二进口连接，管道上设置有第一流量计23；
焦油取样模块3包括颗粒过滤装置31、水冷U型套管32及收集瓶33；三通阀门5的第三端口与颗粒过滤装置31的进口连接，颗粒过滤装置31的出口与水冷U型套管32的管侧进口连接；水冷U型套管32包括第一水冷U型套管和第二水冷U型套管，第一水冷U型套管和第二水冷U型套管串联设置；
颗粒分级取样装置22的出口通过管道与水冷U型套管32的管侧进口连接；水冷U型套管32的底部可拆卸连接有收集瓶33，收集瓶33用于收集经水冷U型套管32冷凝的焦油；水冷U型套管32的壳侧内通有冷水，水冷U型套管32的壳侧入口与冷水进水口连接，水冷U型套管32的壳侧出口与冷水出水口连接，冷水的温度为0-5℃。
气体收集模块4包括第二流量计41、烟气分析仪42、第三流量计43、烟气阀门6及真空泵44连接；水冷U型套管32的管侧出口通过管道与烟气阀门6的第一端口连接，管道上设置有第二流量计41；烟气阀门6的第二端口通过管道与烟气分析仪42连接；烟气阀门6的第三端口通过管道与真空泵44的一端连接，管道上设置有第三流量计43；真空泵44的另一端与烟气收集装置连接。
采样枪11将350-400℃高温烟气引入取样系统，通过采用不同直径采样嘴实现等速采样；PM10旋风分离器12分离出采样烟气中10μm以上大颗粒物于底部灰斗；采样烟气中的细颗粒物由颗粒分级取样装置22实现分级收集；颗粒分级取样装置22包括从上到下依次设置的第一级、第二级、第三级、第四级及第五级滤膜，通过更换每级滤膜可调整取样粒径范围；第一级至第四级均采用聚碳酸脂膜，在第一级至第四级均采用聚碳酸脂膜上可收集到粒径分别为2.5~10μm ，1~2.5μm，0.5~1μm和0.2~0.5μm的颗粒物；第五级滤膜采用采用聚四氟乙烯滤膜，聚四氟乙烯滤膜的孔径为0.45μm，可进一步过滤掉未被收集的烟气颗粒物。
焦油主要在水冷U型套管32内冷凝，并将冷凝后的焦油收集在于收集瓶33收集，少量管壁残留焦油采用有机溶剂清洗收集。
采样枪11、PM10旋风分离器12、三通阀门5、颗粒过滤装置31及其连接管路的外侧均设置有加热丝，且包裹有保温层；颗粒过滤装置31与水冷U型套管32的管侧入口之间的连接管道上设置有加热丝，且包裹有保温层；通过温度控制加热系统使得温度保持在350-400℃，保证焦油不会提前凝结影响焦油取样效果，温度保持在375℃时，焦油取样效果较佳；
气体收集模块4用于维持系统流量，通过设置烟气分析仪，当采样烟气进入烟气分析仪42，对气相成分进行采样和分析。
进一步的，从采样枪至三通阀门再至焦油取样模块中水冷装置前的部件及连接管路，缠绕加热丝，加装保温层，通过温度控制加热系统使得温度保持在350-400℃，保证焦油不会提前凝结影响焦油取样效果，温度保持在375℃时，焦油取样效果较佳；从三通阀门到DGI颗粒分级采样装置及其连接管路外缠绕加热丝，加装保温层，通过温度控制加热系统使得温度保持在140-160℃，防止水蒸气凝结，温度保持在150℃时，防止水蒸气凝结的效果较好。
进一步的，颗粒物取样模块、焦油取样模块以及气体收集模块封入箱内，使取样装置处易于装卸，使流量计易于观察，使模块间连接方便。
进一步的，三通阀门及烟气分析仪旁路阀门开关设于箱外，使易于操作。
进一步的，加装保温层部件间连接装置为金属部件，未加装保温层的部件间可用硅胶管连接。
进一步的，DGI颗粒分级采样装置中采用四层聚碳酸酯膜置于收集盘上方收集颗粒；最后一级为过滤层，滤膜采用聚四氟乙烯滤膜，滤膜孔径为0.45μm，可进一步过滤掉未被收集的烟气颗粒物。
本发明还提供一种烟气分级采样方法，包括以下步骤：
步骤1、设定采样烟气流量为10 NL/min，根据等速采样原理，测定烟气出口流速，确定采样枪入口采样嘴理论直径，选择最接近的不大于理论直径的采样嘴；
步骤2、选取颗粒分级取样装置22，DGI颗粒分级取样装置为Dekati公司和AVL李斯特公司合作设计出的重力分层补集器，用于颗粒物的大量采集，每级小于10mg，共分5级，收集粒径范围0.02-10μm；
步骤3、对于DGI颗粒分级取样装置的第一至第四级采用的聚碳酸酯膜，取样前后均在60℃烘箱烘干10h；采样前保证滤膜无折痕，称重，密封保存，待用；采样时滤膜膜片应平稳放置于每一级收集盘上，与采样器紧密安装；
步骤4、DGI颗粒分级取样装置的第五级滤膜和颗粒过滤装置31均采用聚四氟乙烯滤膜，滤膜孔径为0.45μm。滤膜浸泡于纯乙醇中超声清洗20min，采用去离子水冲洗，放入120℃烘箱烘干2h，冷却，保证滤膜无折痕，称重，密封保存，待用；
步骤5、烟气分析仪42采用德国testo370红外烟气分析仪，用于实时分析监测气相污染物组分，抽取采样烟气量为3 NL/min，记录烟气瞬时流量及累计流量，并自动换算成标准干烟气采样体积；
步骤6、事先准备冰水加入冷水箱内，循环水温度应保持在0-5℃，水箱水位合适；将循环水路与水冷U型套管32连接；
步骤7、按照如图1所示的系统顺次将系统各单元连接，加装保温层各部件之间的连接采用金属卡套接头，其余部件之间采用硅胶软管连接；
步骤8、从采样枪11至三通阀门5及其至出口模块间的连接管路，缠绕加热丝，加装保温层，通过温度控制加热系统使得温度保持在350-400℃；颗粒物取样模块2的保温层在封装时提前设置，通过温度控制加热系统使得温度分别保持在140-160℃；焦油取样模块3内保温层在封装时提前设置，通过温度控制加热系统使得温度分别保持在350-400℃；
步骤9、检查整个装置的气密性，确认严密。阀门5选择使用的取样模块，选择颗粒物取样模块时打开空气泵，调整空气流量为60L/min，将采样枪伸入烟道采样孔，设定烟气流量为10NL/min，打开循环水泵，启动真空泵44，进行颗粒物取样，取样时间为4-5min；通过阀门5切换至焦油取样模块，取样时间为25-30min。打开阀门6，烟气通入烟气分析仪，观察流量计43与41流量差值应为3L/min。上述为一种操作方式，实际使用可根据需求选用；
步骤10、采样结束后取出采样枪，关闭保温层加热系统，空气泵，循环水泵和真空泵；
步骤11、拆卸DGI装置内聚碳酸酯膜，在60℃烘箱烘干10h后称重，刮出颗粒物，置于干燥器内备用；拆卸颗粒过滤装置31内滤膜，称重，刮出颗粒物，置于干燥器内备用；拆卸U型套管32，使用少许二氯甲烷清洗壁面残留焦油再一并收集至收集瓶33内，之后分离出二氯甲烷，作进一步分析。
本发明针对煤或生物质等固体燃料在热利用时产生的烟气进行分级粒径颗粒物、焦油和气相产物同时取样。本发明的系统主要包括采样枪，PM10旋风分离器，颗粒物取样模块，焦油取样模块和气体收集模块。本发明的系统在使用时，颗粒物、焦油以及气相取样均可自由选择。本发明的系统进行颗粒物取样时，取样时间为5min；在进行焦油取样时，取样时间为30min；气相取样不限制取样时间。不同粒径颗粒物质量、元素分布应选择DGI装置收集的颗粒物分析计算；对比焦油与颗粒物质量分布应选择颗粒过滤装置收集的颗粒物和收集瓶中焦油进行分析计算；气相成分分析推荐保持系统内烟气流量稳定，便于分析计算。使用本发明可以同时有效采集烟气中三相产物，得到排放烟气中的污染物质量分布情况、质量浓度以及元素的迁移情况。本发明系统方法简便易行，效果较好，成本较低，社会和经济效益高，对于控制污染物排放，保护环境和保护人体健康有重要意义。
Claims (8)
1.一种烟气分级采样系统，其特征在于，包括采样枪（11）、PM10旋风分离器（12）、颗粒物取样模块（2）、焦油取样模块（3）、气体收集模块（4）及三通阀门（5）；
采样枪（11）的采样嘴与待采样烟气的烟道连通，采样枪（11）的末端与PM10旋风分离器（12）的进口连接，PM10旋风分离器（12）的出口与三通阀门（5）的第一端口连接；三通阀门（5）的第二端口与颗粒物取样模块（2）连接；三通阀门（5）的第三端口与焦油取样模块（3）连接，焦油取样模块（3）与气体收集模块（4）连接；
颗粒物取样模块（2）包括颗粒分级取样装置（22）；三通阀门（5）的第二端口与颗粒分级取样装置（22）的进口连接；
焦油取样模块（3）包括颗粒过滤装置（31）、水冷U型套管（32）及收集瓶（33）；三通阀门（5）的第三端口与颗粒过滤装置（31）的进口连接，颗粒过滤装置（31）的出口与水冷U型套管（32）的管侧进口连接，水冷U型套管（32）的管侧底部设置收集瓶（33）；水冷U型套管（32）的壳侧内通有冷水；
气体收集模块（4）包括真空泵（44）；水冷U型套管（32）的管侧出口通过管道与真空泵（44）连接；
颗粒分级取样装置（22）采用DGI颗粒分级采样装置；DGI颗粒分级采样装置的收集层从上到下采用四层聚碳酸酯膜，从上到下四层聚碳酸酯膜上收集的颗粒物粒径依次为2.5~10μm、1~2.5μm、0.5~1μm及0.2~0.5μm；DGI颗粒分级采样装置的过滤层采用聚四氟乙烯滤膜，聚四氟乙烯滤膜孔径为0.45μm；
气体收集模块（4）还包括烟气阀门（6）和烟气分析仪（42）；烟气阀门（6）的第一端口通过管道与水冷U型套管（32）的管侧出口连接，管道上设置有第二流量计（41）；烟气阀门（6）的第二端口与烟气分析仪（42）连接；烟气阀门（6）的第三端口通过管道与真空泵（44）连接，管道上设置有第三流量计（43）。
2.根据权利要求1所述的一种烟气分级采样系统，其特征在于，颗粒物取样模块（2）还包括混合罐（21）和空气泵（24）；混合罐（21）设置在三通阀门（5）与颗粒分级取样装置（22）之间，三通阀门（5）的第二端口与混合罐（21）的第一进口连接，混合罐（21）的出口与颗粒分级取样装置（22）的进口连接；空气泵（24）的进口与外界空气连通，空气泵（24）的出口与混合罐（21）的第二进口连接。
3.根据权利要求1所述的一种烟气分级采样系统，其特征在于，颗粒分级取样装置（22）的出口通过管道与水冷U型套管（32）的管侧进口连接。
4.根据权利要求1所述的一种烟气分级采样系统，其特征在于，水冷U型套管（32）包括第一U型套管和第二U型套管；第一U型套管和第二U型套管采用串联设置；水冷U型套管（32）的壳侧内通入的冷水温度为0-5℃。
5.根据权利要求1所述的一种烟气分级采样系统，其特征在于，采样枪（11）、PM10旋风分离器（12）、三通阀门（5）、颗粒过滤装置（31）及其连接管路的外侧均设置有加热丝，且包裹有保温层，温度控制在350-400℃；颗粒过滤装置（31）与水冷U型套管（32）的管侧入口之间的连接管道上设置有加热丝，连接管道上包裹有保温层，温度控制在350-400℃；三通阀门（5）的第二端口、颗粒分级取样装置（22）及其连接管道上设置加热丝，且包裹有保温层，温度控制在140-160℃。
6.一种烟气分级采样方法，其特征在于，利用权利要求1-5任意一项所述的一种烟气分级采样系统，包括以下步骤：将采样枪（11）伸入到待采样烟道的烟道空内，采样烟气由采样枪（11）引入采样系统内；采样烟气通过颗粒物取样模块（2）后，得到颗粒物；烟气通过焦油取样模块（3）后，得到焦油；烟气通过气体收集模块（4）后得的气体产物。
7.根据权利要求6所述的一种烟气分级采样方法，其特征在于，颗粒物取样模块（2）的取样时间为4-5min；焦油取样模块（3）的取样时间为25-30min。
8.根据权利要求6所述的一种烟气分级采样方法，其特征在于，采样枪（11）引入的烟气流量控制在10NL/min，烟气温度为350-400℃。
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