CN113171672B - 一种同时脱硝、脱硫和脱碳的废气净化装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同时脱硝、脱硫和脱碳的废气净化装置与方法；包括填料吸收塔和铁碳双池反应器；填料吸收塔出料口与铁碳双池反应器的铁室进料口相连接；铁碳双池反应器的铁室的出料口与填料吸收塔的喷淋装置相连接。废气通过填料吸收塔的废气进气口进入物料池中的气体分布器被溶液净化，然后废气向上进入填料吸收塔的填料段，被从上而下的吸收液再次净化由填料吸收塔的出气口排放；填料吸收塔物料池中的物料通过出料口输送至铁碳双池反应器的铁室中；进入铁碳双池反应器的铁室中的物料被还原再生。对含有一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳的废气实现净化，其一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳的净化效率可分别达到98.6％、99.9％和83.3％以上。

Description

一种同时脱硝、脱硫和脱碳的废气净化装置与方法

技术领域

本发明涉及一种同时净化废气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳的装置与方法，属于大气污染治理技术的环保领域。

背景技术

大气污染物中一氧化氮和二氧化硫是我国近几次“五年”规划纲要中明确需要减排的目标污染物，均有相应的约束性减排指标任务。二氧化碳气体属于温室气体，对于全球气候变暖有重要影响，是《京都议定书》规定减排的6种温室气体之一。我国在最近的联合国大会上提出，我国的二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，并争取在2060年之前实现“碳中和”。因此，废气二氧化碳的净化与减排课题是我国必将大力开展的科学问题。目前废气脱硝、脱硫和二氧化碳的净化问题被广泛研究报道。目前的废气脱硝方法主要干法(如选择性催化还原法，选择性非催化还原法，等离子法，吸附法等)和湿法(如氧化吸收，酸碱吸收，络合吸收以及微生物代谢法等)两大类。废气脱硫也分为干法(如电子束辐射法、脉冲电晕法、干式催化氧化法、炉内喷钙法和循环流化床排烟脱硫法等)和湿法(氨液吸收法，石灰石/石膏脱硫法，钠碱脱硫法等)两类技术。废气中二氧化碳的净化通常用碱性溶液进行净化，如碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水等进行化学反应生成碳酸盐或碳酸氢盐，或者用有机胺类物质与二氧化碳进行化学吸收，然后再解析得到纯的二氧化碳气体。这类方法脱出废气中的二氧化碳其成本往往较高。

目前，废气脱硝和脱硫往往是分段进行，大多数工艺流程为首先进行选择性催化脱硝，然后再进行石灰石/石膏法脱硫。该脱硝、脱硫工艺流程较为复杂，成本较高。虽然有关废气同时脱硝和脱硫技术已有少量报道，但同时实现废气脱硝、脱硫和脱碳的技术方法与装置则还未见报道。本申请专利即是针对实现废气同时脱硝、脱硫和脱碳的装置与工艺技术。该技术工艺具有流程简洁、废气净化效率较高的特点。该技术工艺和装置对于我国工业废气污染治理具有广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的实现废气中一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳的同时净化技术装置和工艺方法，可为我国工业废气的脱硝、脱硫和脱碳提供技术支持。

本发明的技术方案如下：

一种同时脱硝、脱硫和脱碳的废气净化装置；包括填料吸收塔和铁碳双池反应器；填料吸收塔出料口与铁碳双池反应器的铁室进料口相连接；铁碳双池反应器的铁室的出料口与填料吸收塔的喷淋装置相连接。

所述的填料吸收塔由废气进气口、物料池、气体分布器、填料塔、喷淋装置、废气出气口、出料口和铁室气体进气口组成；气体分布器位于填料吸收塔底部的物料池中；喷淋装置位于填料吸收塔的上部。

所述的铁碳双池反应器包括铁室、碳室、阴离子交换膜、铁电极、石墨电极、导线、铁粉和活性炭粉末；铁碳双池反应器的铁室由进料口、出料口、物料混合管路、铁电极和铁粉组成；铁碳双池反应器的碳室由进料口、出料口、物料混合管路、石墨电极和活性炭粉末构成；铁碳双池反应器的铁室与碳室之间有阴离子交换膜；铁碳双池反应器的铁室的铁电极和铁碳双池反应器的碳室的石墨电极用导线进行连接；铁碳双池反应器的铁室外有物料混合循环管路，其物料混合循环管路的两端分别与铁室的进料口和出料口连接；铁碳双池反应器的碳室外有物料混合循环管路，其物料混合循环管路的两端分别与碳室的进料口和出料口连接；填料吸收塔出料口与铁碳双池反应器的铁室进料口相连接；铁碳双池反应器的铁室的出料口与填料吸收塔的喷淋装置相连接。

所述的铁碳双池反应器的铁室外的物料混合循环管路由卧式搅拌管路和卧式轴流搅拌桨构成，卧式搅拌管路的两端分别与铁室的出料口和进料口相连接；碳室外的物料混合循环管路由卧式搅拌管路和卧式轴流搅拌桨构成，卧式搅拌管路的两端分别与碳室的出料口和进料口相连接。

利用本发明装置同时脱硝、脱硫和脱碳的废气净化方法，废气首先通过填料吸收塔的废气进气口，进入物料池中的气体分布器，被均匀分布于填料吸收塔的物料池中的溶液中，废气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳被溶液净化，然后废气向上进入填料吸收塔的填料段，被从上而下的吸收液再次净化，净化的废气由填料吸收塔的废气出气口排放；填料吸收塔的物料池中的物料通过出料口输送至铁碳双池反应器的铁室中；进入铁碳双池反应器的铁室中的物料被还原再生，再通过铁室出料口输送至填料吸收塔的喷淋装置，利用其再生后的吸收性能，净化废气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳污染物；铁室中的物料从铁室出料口进入卧式搅拌管路，并在卧式轴流搅拌桨的推动作用下沿卧式管路流动，并通过铁室进料口循环进入铁室中；这样周而复始地实现了铁室中的物料流动与循环，避免铁室中的颗粒物沉积；碳室外的卧式搅拌管路中有卧式轴流搅拌桨，在搅拌桨的推动作用下碳室中物料通过碳室出料口进入卧式搅拌管路，并在搅拌推动下沿卧式管路流动，并通过碳室进料口返回至碳室中，周而复始地实现碳室中的物料循环与混合；卧式轴流搅拌桨通过电机驱动；碳室中的物料仅在碳室内和碳室外的混合管路中循环流动；铁室中的物料不仅在铁室中和铁室外混合管路中循环，同时也与填料吸收塔中的物料进行循环。

所述的吸收液为二乙胺四乙酸亚铁水溶液，其浓度范围为10mM～100mM。

所述的铁室中的铁粉含量范围5％wt～10％wt。碳室中的活性炭含量范围5％wt～10％wt。铁室和碳室的溶液pH范围为4～6。

所述的填料吸收塔的来料在铁室中的停留时间范围为4h～8h。

所述的填料吸收塔的物料池中的溶液体积与铁碳双池反应器的铁室中的溶液体积之比为1/16～1/8。

所述铁室和碳室的外部管路中的轴流式搅拌桨的转速要满足1h对铁室和碳室中的物料循环20次～40次。

本申请的净化装置与工艺方法对烟气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳污染物进行了连续、循环、长时净化试验，结果发现该技术设备和工艺方法对废气中高浓度一氧化氮、高浓度二氧化硫和高浓度二氧化碳具有良好的净化效率。三种污染物的净化效率可分别达到98％以上、99％以上和83％以上。该技术设备装置和工艺方法对于我国工业废气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳的污染净化具有广阔市场前景，可为我国大气污染治理提供优良的技术选择，有利于我国大气环境质量的提升。

附图说明

图1填料吸收塔示意图

图2铁碳双池反应器外观构成示意图

图3铁碳双池反应器的垂直剖面示意图

图4工艺流程示意图

1-1——物料池；1-2——气体分布器；1-3——废气进气口；1-4——出料口；1-5——铁室气体进气口；1-6——塔体支撑板；1-7——塔体；1-8——填料段；1-9——喷淋装置；1-10——废气出气口；2——铁碳双池反应器；2-1——铁室；2-2——碳室；2-3——阴离子交换膜；2-4——导线；2-5——铁室进料口；2-6——铁室出料口；2-7——碳室进料口；2-8——碳室出料口；2-9——卧式轴流搅拌桨；2-10——卧式搅拌管路；2-11——铁室气体出气口；2-12—pH检测仪；2-13——铁电极；2-14——铁粉；2-15——石墨电极；2-16——活性碳：2-17——电极固定孔板；2-18——电极固定孔板支撑平台；2-19——密封垫；2-20——铁室密封盖板；2-21——电极固定凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明：

1、设备装置

(a)填料吸收塔(1)

填料吸收塔(1)由物料池(1-1)、气体分布器(1-2)、废气进气口(1-3)、出料口(1-4)、铁室气体进气口(1-5)、塔体支撑板(1-6)、塔体(1-7)、填料段(1-8)、喷淋装置(1-9)和废气出气口(1-10)构成。填料吸收塔(1)的物料池(1-1)中的物料通过出料口(1-4)输送至铁碳双池反应器(2)的铁室进料口(2-5)。物料被铁室(2-1)还原后输送至填料吸收塔(1)的喷淋装置(1-9)。气体分布器(1-2)的目的是促进一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳在物料池(1-1)中的吸收。填料吸收塔(1)的铁室气体进气口(1-5)与铁碳双池反应器(2)的铁室气体出气口(2-11)相连，以接收铁室(2-1)还原过程中生成的气体。

(b)铁碳双池反应器(2)

铁碳双池反应器(2)主要由铁室(2-1)、碳室(2-2)、阴离子交换膜(2-3)、导线(2-4)、铁室进料口(2-5)、铁室出料口(2-6)、碳室进料口(2-7)、碳室出料口(2-8)、卧式轴流搅拌桨(2-9)、卧式搅拌管路(2-10)、铁室气体出气口(2-11)、pH检测仪(2-12)、铁电极(2-13)、铁粉(2-14)、石墨电极(2-15)、活性碳(2-16)、电极固定孔板(2-17)、电极固定孔板支撑平台(2-18)、密封垫(2-19)、铁室密封盖板(2-20)和电极固定凹槽(2-21)构成。铁电极(2-13)和石墨电极(2-15)分别垂直布置在铁室(2-1)和碳室(2-2)中。电极是通过电极固定孔板(2-17)以及铁室(2-1)和碳室(2-2)下面的底板上的电极固定凹槽(2-21)进行固定。电极固定孔板(2-17)放在电极固定孔板支撑平台(2-18)上。电极固定孔板支撑平台(2-18)为分别设置在铁室(2-1)和碳室(2-2)的左右两侧、且高于液面的平台，该平台的长度与铁室(2-1)和碳室(2-2)的内部宽度一致。铁室(2-1)和碳室(2-2)外部的卧式管路(2-10)主要目的是便于卧式轴流搅拌桨(2-9)对反应池中的物料进行快速、充分的混合，同时方便电极的安装，也有利于填料吸收塔(1)的物料池(1-1)的来料和pH调节酸液在该管路上的加入，以及铁室(2-1)再生溶液的出料至填料吸收塔(1)。铁室通过密封垫(2-19)和密封盖板(2-20)进行密封，以免外界空气进入铁室。由于铁室(2-1)在还原吸收液的过程中会产生气体，所以铁室(2-1)有气体出口(2-11)。铁室气体出口(2-11)的气体进入填料吸收塔(1)的铁室气体进气口(1-5)。铁碳双池反应器(1)中的阴离子交换膜(2-3)的作用：一是实现阴离子从铁室向碳室转移；二是隔离铁室(2-1)和碳室(2-2)间的物料。铁碳双池反应器的导线(2-4)目的在于形成铁碳间的间接电偶腐蚀，实现电子从铁电极(2-13)向石墨电极(2-15)转移，从而与迁移离子间形成完整的电回路，构成原电池反应器。铁粉(2-14)和活性炭(2-16)的加入主要是促进间接电偶腐蚀速率，提升铁碳双池反应器(1)的电化学性能。铁室进料口(2-5)在铁室(1)的后面、下部位置。铁室出料口(2-6)在铁室(1)的前面、下部位置。碳室进料口(2-7)在碳室的后面、下部位置。碳室出料口(2-8)在碳室的前面、下部位置。卧式轴流搅拌桨(2-9)和卧式搅拌管路(2-10)主要目的是对铁室(2-1)和碳室(2-2)中的物料进行循环、混合，提升铁碳双池反应器(1)的反应性能。pH检测仪(2-12)的目的是监控铁室和碳室中的pH数据，以调节铁室(2-1)和碳室(2-2)中进料管线上的加酸流量。

2、工艺流程：废气由填料吸收塔(1)的废气进气口(1-3)进入气体分布器(1-2)，随后进入物料池(1-1)的溶液中，实现废气中一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳的部分吸收。剩余废气向上进入填料吸收塔(1)的填料段(1-8)，废气在填料表面上被从上而下的吸收液净化处理，处理后的废气通过填料吸收塔(1)的废气出气口(1-10)排放。填料吸收塔(1)的物料池(1-1)中的物料被物料泵输送至铁室(2-1)的铁室进料口(2-5)，进入铁室并被还原再生，随后溶液通过铁室(2-1)的铁室出料口(2-6)进入铁室(2-1)的外循环管路，且一部分溶液通过物料泵输送至填料吸收塔(1)的喷淋装置(1-9)，吸收废气中的污染物。铁室(2-1)还原再生吸收液的过程中会产生气体，该气体通过铁室的出气口(2-11)出去，并通过气体管线进入填料吸收塔(1)的铁室废气进气口(1-5)，随后进入填料吸收塔(1)，气体净化后随废气排空。

3、铁碳双池反应器的工作原理：铁室(2-1)中铁电极(2-13)以及铁粉(2-14)与铁电极(2-13)碰撞时产生的电子(e-)将通过导线(2-4)转移到碳室(2-2)中的石墨电极(2-15)表面，部分电子(e-)在与活性碳(2-16)碰撞接触时转移到活性碳表面。碳室(2-2)中的电子(e-)将在氧气和酸性环境下发生去电子反应，生成双氧水和水。铁室(2-1)中的阴离子

将定向通过阴离子交换膜(2-3)进入碳室(2-2)溶液中，构成完整的电回路，形成铁碳双池间接接触电偶腐蚀原电池反应器。该铁碳双池反应器的铁室(2-1)为还原性环境，而碳室(2-2)为氧化性环境。本申请专利即是利用铁室(2-1)的还原性对废气吸收液中污染物进行还原净化，并再生吸收液，且循环至填料吸收塔(1)中去净化废气中的污染物。吸收液中的一氧化氮被铁室还原为铵离子、氮气以及一氧化二氮。吸收液中的二氧化硫被铁室还原为连二亚硫酸，并进一步生成硫代硫酸盐以及硫单质。吸收液中的二氧化碳则被铁室还原为一氧化碳和甲酸盐。通过以上原理过程，可以实现同时对废气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳污染物进行不断净化。

依据废气净化设备装置及工艺流程，下面举例说明该申请技术在废气一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳污染物的净化效果。

实施例1.

当废气(由氮气、氧气、二氧化碳、二氧化硫和一氧化氮组成)流量为4L/min，且氧气含量为6％V/V，二氧化碳含量为12％V/V，二氧化硫含量为2000ppm和一氧化氮含量为1000ppm时，乙二胺四乙酸亚铁吸收液初始浓度为100mM，铁室中铁粉含量为10％wt，碳室红活性碳含量为10％wt，铁室与碳室中溶液pH为4，铁室中吸收液宏观停留时间为8h，铁室和碳室的卧式轴流搅拌桨对物料的搅拌速度为1h循环40次时，采用本设备装置和工艺方法处理后，废气中一氧化氮剩余浓度为14ppm，二氧化硫剩余浓度为1ppm，二氧化碳的剩余浓度为2％，三种污染物相应的净化效率分别为98.6％、99.9％和83.3％。填料吸收塔的物料池的吸收液体积为0.5L，铁室中的物料体积为8L(填料吸收塔的物料池中的溶液体积与铁碳双池反应器的铁室中的溶液体积之比为1/16)。

实施例2.

当废气(由氮气、氧气、二氧化碳、二氧化硫和一氧化氮组成)流量为4L/min，且氧气含量为5％V/V，二氧化碳含量为11％V/V，二氧化硫含量为1800ppm和一氧化氮含量为900ppm时，乙二胺四乙酸亚铁吸收液初始浓度为50mM，铁室中铁粉含量为5％wt，碳室红活性碳含量为5％wt，铁室与碳室中溶液pH为5，铁室中吸收液宏观停留时间为6h，铁室和碳室的卧式轴流搅拌桨对物料的搅拌速度为1h循环30次时，采用本设备装置和工艺方法处理后，废气中一氧化氮剩余浓度为30ppm，二氧化硫剩余浓度为1ppm，二氧化碳的剩余浓度为3％，三种污染物相应的净化效率分别为96.6％、99.9％和72.73％。填料吸收塔的物料池的吸收液体积为0.5L，铁室中的物料体积为6L(填料吸收塔的物料池中的溶液体积与铁碳双池反应器的铁室中的溶液体积之比为1/12)。

实施例3.

当废气(由氮气、氧气、二氧化碳、二氧化硫和一氧化氮组成)流量为4L/min，且氧气含量为4％V/V，二氧化碳含量为10％V/V，二氧化硫含量为1900ppm和一氧化氮含量为930ppm时，乙二胺四乙酸亚铁吸收液初始浓度为10mM，铁室中铁粉含量为7％wt，碳室红活性碳含量为7％wt，铁室与碳室中溶液pH为6，铁室中吸收液宏观停留时间为4h，铁室和碳室的卧式轴流搅拌桨对物料的搅拌速度为1h循环20次时，采用本设备装置和工艺方法处理后，废气中一氧化氮剩余浓度为219ppm，二氧化硫剩余浓度为34ppm，二氧化碳的剩余浓度为4.9％，三种污染物相应的净化效率分别为76.5％、98.3％和51.0％。填料吸收塔的物料池的吸收液体积为0.5L，铁室中的物料体积为4L(填料吸收塔的物料池中的溶液体积与铁碳双池反应器的铁室中的溶液体积之比为1/8)。

实施例4.

当废气(由氮气、氧气、二氧化碳、二氧化硫和一氧化氮组成)流量为4L/min，且氧气含量为5.5％V/V，二氧化碳含量为13％V/V，二氧化硫含量为2100ppm和一氧化氮含量为850ppm时，乙二胺四乙酸亚铁吸收液初始浓度为30mM，铁室中铁粉含量为8％wt，碳室红活性碳含量为8％wt，铁室与碳室中溶液pH为5，铁室中吸收液宏观停留时间为7h，铁室和碳室的卧式轴流搅拌桨对物料的搅拌速度为1h循环30次时，采用本设备装置和工艺方法处理后，废气中一氧化氮剩余浓度为53ppm，二氧化硫剩余浓度为2ppm，二氧化碳的剩余浓度为5.2％，三种污染物相应的净化效率分别为93.8％、99.9％和60％。填料吸收塔的物料池的吸收液体积为0.5L，铁室中的物料体积为5L(填料吸收塔的物料池中的溶液体积与铁碳双池反应器的铁室中的溶液体积之比为1/10)。

本发明公开和提出的简洁、高效废气同时脱硝、脱硫和脱碳的技术设备与工艺方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变设备结构、隔膜性质、物料构成以及操作条件等即可实现。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (9)

1.一种同时脱硝、脱硫和脱碳的废气净化装置；其特征是，包括填料吸收塔和铁碳双池反应器；填料吸收塔出料口与铁碳双池反应器的铁室进料口相连接；铁碳双池反应器的铁室的出料口与填料吸收塔的喷淋装置相连接；铁碳双池反应器包括铁室、碳室、阴离子交换膜、铁电极、石墨电极、导线、铁粉和活性炭粉末；铁碳双池反应器的铁室由进料口、出料口、物料混合管路、铁电极和铁粉组成；铁碳双池反应器的碳室由进料口、出料口、物料混合管路、石墨电极和活性炭粉末构成；铁碳双池反应器的铁室与碳室之间有阴离子交换膜；铁碳双池反应器的铁室的铁电极和铁碳双池反应器的碳室的石墨电极用导线进行连接；铁碳双池反应器的铁室外有物料混合循环管路，其物料混合循环管路的两端分别与铁室的进料口和出料口连接；铁碳双池反应器的碳室外有物料混合循环管路，其物料混合循环管路的两端分别与碳室的进料口和出料口连接；填料吸收塔出料口与铁碳双池反应器的铁室进料口相连接；铁碳双池反应器的铁室的出料口与填料吸收塔的喷淋装置相连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，填料吸收塔由废气进气口、物料池、气体分布器、填料塔、喷淋装置、废气出气口、出料口和铁室气体进气口组成；气体分布器位于填料吸收塔底部的物料池中；喷淋装置位于填料吸收塔的上部。

3.如权利要求2所述的装置，其特征是，铁碳双池反应器的铁室外的物料混合循环管路由卧式搅拌管路和卧式轴流搅拌桨构成，卧式搅拌管路的两端分别与铁室的出料口和进料口相连接；碳室外的物料混合循环管路由卧式搅拌管路和卧式轴流搅拌桨构成，卧式搅拌管路的两端分别与碳室的出料口和进料口相连接。

4.利用权利要求3所述的装置同时脱硝、脱硫和脱碳的废气净化方法，其特征是，废气首先通过填料吸收塔的废气进气口，进入物料池中的气体分布器，被均匀分布于填料吸收塔的物料池中的溶液中，废气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳被溶液净化，然后废气向上进入填料吸收塔的填料段，被从上而下的吸收液再次净化，净化的废气由填料吸收塔的废气出气口排放；填料吸收塔的物料池中的物料通过出料口输送至铁碳双池反应器的铁室中；进入铁碳双池反应器的铁室中的物料被还原再生，再通过铁室出料口输送至填料吸收塔的喷淋装置，利用其再生后的吸收性能，净化废气中的一氧化氮、二氧化硫和二氧化碳污染物；铁室中的物料从铁室出料口进入卧式搅拌管路，并在卧式轴流搅拌桨的推动作用下沿卧式管路流动，并通过铁室进料口循环进入铁室中；这样周而复始地实现了铁室中的物料流动与循环，避免铁室中的颗粒物沉积；碳室外的卧式搅拌管路中有卧式轴流搅拌桨，在搅拌桨的推动作用下碳室中物料通过碳室出料口进入卧式搅拌管路，并在搅拌推动下沿卧式管路流动，并通过碳室进料口返回至碳室中，周而复始地实现碳室中的物料循环与混合；卧式轴流搅拌桨通过电机驱动；碳室中的物料仅在碳室内和碳室外的混合管路中循环流动；铁室中的物料不仅在铁室中和铁室外混合管路中循环，同时也与填料吸收塔中的物料进行循环；吸收液为二乙胺四乙酸亚铁水溶液。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是，吸收液为二乙胺四乙酸亚铁水溶液，其浓度范围为10mM～100mM。

6.如权利要求4所述的方法，其特征是，铁室中的铁粉含量范围5％wt～10％wt；碳室中的活性炭含量范围5％wt～10％wt；铁室和碳室的溶液pH范围为4～6。

7.如权利要求4所述的方法，其特征是，填料吸收塔的来料在铁室中的停留时间范围为4h～8h。

8.如权利要求4所述的方法，其特征是，填料吸收塔的物料池中的溶液体积与铁碳双池反应器的铁室中的溶液体积之比为1/16～1/8。

9.如权利要求4所述的方法，其特征是，铁室和碳室的外部管路中的轴流式搅拌桨的转速要满足1h对铁室和碳室中的物料循环20次～40次。

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