CN114195095B - 一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，包括生氢机构，所述生氢机构包括固氢存放装置、氢发舱和反应水储水箱，所述反应水储水箱的出水口通过带有电控阀和水泵的管路连接所述氢发舱，所述固氢存放装置包括设置于一密封舱室内的不少于两个的氢化镁储藏箱。本发明不同于氢瓶供氢系统，采用全程低压系统，管路与装置都可采用非金属制品，轻量化程度高；通过不同颗粒度大小的固块氢化镁，控制反应的速率，实现更加稳定的氢气产出；且可以重复利用提纯出来的水，循环到补水装置中，代替需要供给的水量，减少水的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及产生氢气的设备领域，具体为一种新型的高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统。
背景技术
作为储存氢的方式之一，存在一种包藏合金方式。作为包藏合金方式，由于其不需要在超高压、极低温这样的特殊状态下储存氢，因此不仅具有操作容易且安全性较高的优异特征，而且还具有每单位体积的氢储存量较高的优异特征。在40239中国公告公報2013800326813号中，公开一种采用包藏合金方式的氢产生装置。40239中国公告公報2013800326813号涉及的氢产生装置具有收容以氢化镁为主要成分的镁基氢化物粉末以及酸性物粉末的混合粉末的圆筒状的储存室、储水的储水室与燃料电池。向储存室插入有从储水室导出的注水管，从而从储水室向储存室供给水。当向储存室供水时，镁基氢化物粉末按照化学式(1)所记载那样进行水解，而产生氢。向燃料电池供给所产生的氢，从而用于发电。中国公告公报2017800728595号中阐释了一种可连续生氢的装置，其通过一定的高温高压实现了较快的固体氢生氢方式。
[化学式1]
MgH2+2H2O→Mg(OH)2+2H2……(1)
[化学式2]
MgH2+H2O→MgO+2H2……(2)。
现有技术的氢发装置，第一种是将金属氢化物一次性放进氢发舱，然后和液体反应物(水)混合，第二种采用送料机构持续的向氢发舱内送入金属氧化物，该种方式存在以下问题：为了相对稳定的产生氢气，需要较高精度的送料机构；无论是固液混合泵还是螺杆送料机构等，为了实现反应稳定性，都要实现可调节功能，逻辑及理论演算相对复杂，要做到实时调节转速等多项要求，如果出现结构上的损坏，会存在较大的安全隐患；实时产品的工作状态也不容易达到稳定，不符合产品化要求
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型的高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，解决了背景技术中的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种新型的高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，包括生氢机构，所述生氢机构包括固氢存放装置、氢发舱和反应水储水箱，所述反应水储水箱的出水口通过带有电控阀和水泵的管路连接所述氢发舱，所述固氢存放装置包括设置于一密封舱室内的不少于两个的氢化镁储藏箱，所述氢化镁储藏箱的出口设有电控阀；
所述密封舱室内还设有送料机构，所述氢化镁储藏箱的出口通过所述送料机构连接所述氢发舱的进料口，氢发舱的出氢管通过带有电控阀的管路与液滤装置连接，液滤装置的液体出口通过带有电控阀的管路与反应水储水箱的入口连接。
进一步限定，所述送料机构包括设置在氢化镁储藏箱的出口下方的集料斗，集料斗的出口下方通过输送机构连接于混料斗上方，混料斗的出口延伸至氢发舱进料口。
进一步限定，所述液滤装置包括冷凝装置，冷凝装置的进口与所述氢发舱的出氢管连接，冷凝装置的出口连接所述冷凝储水装置，所述冷凝储水装置的气体出口连接双向水洗装置入口，且所述双向水洗装置与所述冷凝储水装置之间还通过带有电控阀和水泵的管路连接，所述冷凝储水装置的排水口通过带有水泵和电控阀的管路连接所述反应水储水箱的入口。
进一步限定，所述生氢机构还包括设置于所述双向水洗装置气体出口处的气滤装置，气滤装置采用活性炭过滤装置。
进一步限定，所述气滤装置的出口连接有氢气缓冲装置，该氢气缓冲装置与泄氢口以及所述氢化镁储藏箱之间分别通过带有电控阀的管路连接。
进一步限定，还包括供电机构，供电机构包括燃料电池，燃料电池的氢气出口与泄氢口连接，燃料电池的氢气入口与氢气缓冲装置的出口连接，燃料电池通过DCDC连接有蓄电电池。
进一步限定，所述氢发舱的排废口通过带有电控阀的管路连接有反应物收集水箱，反应物收集水箱内设有渗透分离装置，反应物收集水箱的出水口通过带有电控阀的管路连接所述反应水储水箱的入口。
进一步限定，所述氢发舱的数量不少于两个，氢发舱内设有冷却装置和加热装置，氢发舱的气体出口通过带有单向阀的支管汇于所述出氢管，出氢管还通过带有电控阀的管路连接所述泄氢口。
进一步限定，所述氢气缓冲装置和所述出氢管上均设有压力传感器。
进一步限定，所述氢气缓冲装置与所述燃料电池的氢气入口之间还设有调压阀。
本发明具备以下有益效果：本发明不同于氢瓶供氢系统，采用全程低压系统，管路与装置都可采用非金属制品，轻量化程度高；通过不同颗粒度大小的固块氢化镁，控制反应的速率，实现更加稳定的氢气产出；且可以重复利用提纯出来的水，循环到补水装置中，代替需要供给的水量，减少水的消耗；多组氢发舱共用一个反应水储水装置，燃料电池的副产物水可以通过水泵加电磁阀收集到冷凝储水装置，实现水的持续循环利用；系统收集压力传感器、温度传感器、外部负载等信号，控制水泵和电磁阀的开闭启停，根据氢气压力控制燃料电池的拉载程度，整个系统机构简单、安全性高、系统稳定、供氢量大、可实际运用于产品上。
附图说明
图1为本发明生氢机构示意图；
图2为本发明整体示意图；
图3为不同颗粒度大小的固块氢化镁与水的反应效率示意图。
图中：1、氢发舱；2、反应水储水箱；3、电控阀；4、水泵；5、密封舱室；6、氢化镁储藏箱；7、送料机构；8、集料斗；9、输送机构；10、混料斗；11、冷凝装置；12、冷凝储水装置；13、双向水洗装置；14、气滤装置；15、氢气缓冲装置；16、泄氢口；17、燃料电池；18、DCDC；19、蓄电电池；20、反应物收集水箱；21、渗透分离装置；22、压力传感器；23、调压阀；24、单向阀；25、液位传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种新型的高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，包括生氢机构，生氢机构包括固氢存放装置、氢发舱1和用于储蓄反应水的反应水储水箱2，其内盛装反应水即日常所用纯净水，其在常温常压下即可使用，但加注前需要尽量的除氯、除杂等，以免产生不纯的氢气，反应水储水箱2的出水口通过带有电控阀3和水泵4的管路连接氢发舱1；
系统内装配至少两个氢发舱1，在其中一个舱反应时，另一个舱向反应物收集水箱20排放已反应完的氢化镁水溶液并清洗冷却(如需继续使用，可停止此步骤)，两个舱或多个舱交替使用以实现系统的超长时间生氢供电，单个反应舱的反应状态通过时间、舱内液位等因素向控制系统传输信号，判定当前舱体的反应情况并判断是否需要开启下个舱，每个单舱的出氢管路上均安装有单向阀24，防止在另一个舱排放废料时，当前反应舱生成氢气流向的紊乱。
氢发舱1上设有温度传感器、压力传感器22、爆破阀、加热装置以及冷却装置，加热装置主要用于氢发舱1的启动，在温度加热到一定程度上后，氢化镁与水的自增热反应则会维持系统对热量的需求，此时加热装置可关闭；控温系统与控压系统相互不足，其中强调温度的稳定性则会增加冷却装置的负荷，减少气体过滤负担；强调压力的稳定性则会大大减少冷却装置的功率，但在后端氢气处理上增加负面影响，本专利的优势是通过控压减少系统内部消耗，使其更加产品化，氢发舱1的气体出口通过带有单向阀24的支管汇于出氢管，出氢管还通过带有电控阀3的管路连接泄氢口16；
氢发舱1底部的排废口为漏斗状，一定程度上方便反应物的排放，预防氢发舱1底部淤积以及滤口堵塞，排废口通过带有电控阀3的管路连接有反应物收集水箱20，反应物收集水箱20收集反应后未利用的水以及反应生成水等反应物，反应物收集水箱20内设有渗透分离装置21，氢氧化镁与氧化镁难溶于水，但其悬浮物易随水流动，增加泵的负荷，少量的氢氧化镁与氧化镁随水回流到水箱中，对反应较长时间内没有影响，反应物收集水箱20的出水口通过带有电控阀3的管路连接反应水储水箱2的入口，多个氢发舱1共用一个反应水储水箱2，燃料电池17的副产物水可以通过水泵4加电控阀3收集到冷凝储水装置12，实现水的持续循环利用，可以重复利用提纯出来的水，循环到反应水储水箱2中，代替需要供给的水量，减少水的消耗，本系统中反应水储水箱2上设置密封补水口，密封补水口的注入水、反应物收集水箱20的过滤水、冷凝水加上燃料电池17生成的水共同组成供水水源，通过水泵4与阀注入到氢发舱1内，保证舱体内固块氢的正常反应。
固氢存放装置包括设置于一密封舱室5内的不少于两个的氢化镁储藏箱6，氢化镁储藏箱6下部设计成漏斗状，出口用电控阀3控制，出口汇集到一处，再通过集料斗8等特定结构输出原料，不同氢化镁储藏箱6用于填装不同颗粒度大小的固块氢，固块氢化镁为特制的多孔结构细小颗粒，其颗粒度能较为轻松的随重力势能流动，通过不同颗粒度大小的固块氢化镁，控制反应的速率，实现更加稳定的氢气产出，氢化镁储藏箱6的出口设有电控阀3，密封舱室5内还设有送料机构7，送料机构7包括设置在氢化镁储藏箱6的出口下方的集料斗8，集料斗8的出口下方通过输送机构9连接于混料斗10上方，其中输送机构9可采用螺杆送料机构或是履带传送结构，混料斗10的出口延伸至氢发舱1进料口，通过送料机构7向氢发舱1内注入不同颗粒度大小的固块氢化镁，或者按一定比例混合后注入，如图3，由于不同颗粒度大小的固块氢化镁与水的反应效率不同，可以根据后端生氢需求，对注料成分做系统控制，决定是否要提前或者滞后反应，以减少氢发舱1内其它调控方式对反应的干预，由于氢化镁与水的反应有滞后性，通过调速式注料会出现正弦函数式波动，所以通过不同颗粒度的注入一定程度上提高了反应的稳定性。
氢发舱1的出氢管通过带有电控阀3的管路与液滤装置连接，液滤装置包括冷凝装置11，冷凝装置11的进口与氢发舱1的出氢管连接，冷凝装置11的出口连接冷凝储水装置12，冷凝储水装置12的气体出口连接双向水洗装置13入口，且双向水洗装置13与冷凝储水装置12之间还通过带有电控阀3和水泵4的管路连接，冷凝储水装置12可收集反应后的冷却水和双向水洗装置13中溢出的水，冷凝储水装置12的排水口通过带有水泵4和电控阀3的管路连接反应水储水箱2的入口。
双向水洗装置13气体出口处连接有用于最终提纯的气滤装置14，最终实现对水汽、粉尘、气味等进行充分过滤，气滤装置14采用活性炭过滤装置，气滤装置14的出口连接有氢气缓冲装置15，氢气缓冲装置15获取反应产生的氢气并存储，氢气缓冲装置15和出氢管上均设有压力传感器22，该氢气缓冲装置15与泄氢口16以及氢化镁储藏箱6之间分别通过带有电控阀3的管路连接，氢化镁储藏箱6在系统工作时的压力需要平衡或者略大于氢发舱1内的压力，使用时防止水汽漫道储存室内，使得氢化镁储藏箱6与氢发舱1共同处于同一个密封压力环境，两者之间没有或尽量减小压差。
氢气缓冲装置15的出口通过带有调压阀23的管路与用于转化氢气为电力的燃料电池17的氢气入口连接，调压阀23可在气体压力达到一定压力时，开启并允许氢气通过，本装置工作压力预设在0.3MPa及以下，以便给燃料电池17输出、补足相对稳定的氢气；系统收到停止信号后，氢发舱1停止工作，多余的氢气慢慢流入氢气缓冲装置15中，以便之后使用。
燃料电池17的氢气出口与泄氢口16连接，燃料电池17通过用于稳定燃料电池17输出值的DCDC18连接有用于吸收多余发电量、补充不足电量和给系统供电的蓄电电池19，燃料电池17根据生成的略微不稳定的氢气，产生不稳定的电功，由蓄电电池19多退少补，最终以稳定功率输出给外部负载，燃料电池17、DCDC18、蓄电电池19组成的发电模块用来输出稳定的电功率，实现了固氢反应和系统输出电的连续化和可控化。
上述的各个管路上装的电控阀3与控制系统相连；各个水路上的水泵4与控制系统相连；单向阀24为机械式单向阀，在一定压力下开闭，不需与控制系统相连；各个压力传感器22与控制系统相连，给系统提供输入信号，以判定阀的开闭；冷凝储水装置12、双向水洗装置13、反应水储水箱2内均设有液位传感器25，各液位传感器25与控制系统相连，给系统提供输入信号，以判定水阀和水泵4的开闭。
下面以3KW燃料电池17输出为例，氢源需求为40L/min左右的氢气，当出现外部负载拉载信号时，固氢供电系统启动，系统收集温度传感器与压力传感器22、液位传感器25数据并判定当前氢发舱1是否需要开始运行，反应水储水箱2中水量不足则需要补水，氢发舱1内氢化镁不足则添加氢化镁，氢发舱1的监测可采用内部红外探测等控制及警报；
在系统判定需要开启一号舱时，开启一号舱进水的电控阀3与水泵4，调整多通阀打开指向一号舱的开口后注入预定量的水，水量可采用水量传感器监测，启动一号舱内布置的加热装置，将舱内的水温加热至一定温度后先后打开电控阀3，将预定量的氢化镁投入热水中；初始投入的固块氢化镁优先选用50μm颗粒度，下文简称Ⅰ型，100μm简称Ⅱ型，200μm简称Ⅲ型，一号舱内生氢反应较快，温度迅速提升，以减少初始反应的准备时长；此时关闭所有氢发舱1的氢气出口，将舱内压力压缩至一定压力(3bar)，由于压力的升高，水的沸点也随之升高，根据图三氢化镁反应速率曲线来看，其反应生氢能较快的进行，欲达到40L/min的氢气流量，氢化镁每分钟的投入量为23.5g，与此同时间歇开启水泵4与电控阀3向舱内注水，以保证足量反应水的与用来汽化热的水；根据理论与实验计算，每分钟向舱内投入氢化镁与水摩尔的量的对比为1:5:～1:250(比值根据冷凝效率、控制策略和反应阶段有较大差距)；若后端需求流量短时间内大于40L/min时，应增加Ⅰ型占比，减少Ⅲ型占比；若后端需求流量短时间内大于40L/min时，应减少Ⅰ型占比，增加Ⅲ型占比；原则上，系统对外提供相对稳定的生氢流量，若要本质上减少或增加流量，只能调整固块氢化镁每分钟的投入量23.5g这个值，不同比例混合的固块氢化镁原料目的是为了填补正弦函数的波峰波谷，从而更加平稳的输出氢气；当舱内压力到达3bar+后，打开氢发舱1与冷凝装置11之间的电控阀3，向冷凝装置11输送氢气，当舱内压力大于4.5bar后，开启氢发舱1与泄氢口16处的电控阀3，紧急向外界卸掉氢气和大量水蒸气；以2L的舱、40L/min的需求为例，单舱大概反应供氢时长为15～20min，到达预定时间后，调整二号舱，重复上述反应区间操作，此时一号氢发舱1排废口处的电控阀3，向反应物收集水箱20中排放反应完的反应物(少量氢化镁、氢氧化镁、氧化镁和水)残余物会生成少量的氢气通过一号舱单向阀24出去与二号舱生成的氢气汇合；提别强调的是，双舱之间可以采用单独水泵4分别控制注水，一是可以在反应结束后清洗当前舱，不受另一个舱的干扰，另一方面可以提前启动下个舱，向舱内注水预热，及时衔接双舱反应(双舱中间不间断反应会导致前一个舱的余氢被浪费，双舱启动时间需大量数据拟合)；反应物收集水箱20中的水量可以由液位传感器25控制，判定反应物收集水箱20的抽水泵4和电控阀3是否需要开启向反应水储水箱2中排水；单舱反应末期，优先选择Ⅰ型原料，这样可以减少化学反应的尾巴，提高固块氢化镁的利用率；原则上，反应中期优先采用Ⅱ型固块氢化镁，也适当增加Ⅲ型占比，颗粒度越大的固块氢化镁反应的波峰相对平缓，只是反应响应不及时；另一方面颗粒度越大，一定程度上生产成本也会相应降低，从而降低产品成本；
产生的氢气由于存在固液混合的反应舱中，且具有一定的温度，会伴随着一定量的水汽和水蒸气到氢气管内，此时的气液混合物流经冷凝装置11，分离出水和氢气，生成的水凝结在冷凝储水装置12的水中，氢气则通过装置内的上部出氢口通往双向水洗装置13中。冷凝储水装置12中的水量则由液位传感器25控制，判定冷凝储水装置12的抽水泵4和电控阀3是否需要开启向反应水储水箱2中排水；
由于产生的氢气会伴随着大量的水蒸气，气体流速快，冷凝装置11只能排出大量冷却下来的凝结水，但气体中的湿度不可排出，因此通过双向水洗装置13，以微孔结构快速打散气泡，并将水中的离子留在滤芯中，在前端排气时可以被回流的水冲刷，防止堵塞滤芯，双向结构则可以使水洗装置中的水不会回流，造成水量流失；当水洗装置运行一段时间后，由于吸收了气体中一定量的水汽，会导致其中水量的增加，此时则需要液位传感器25判定水量是否超标后(水量多，气阻会增加)，判定双向水洗装置13的抽水泵4和电控阀3是否需要开启向冷凝储水装置12中排水；
产生的氢气由于流量大，流速快，容易将反应舱内的微量反应物带出，此时则需要气滤装置14过滤生成的氢气，再进到燃料电池17中，提高燃料电池17的使用寿命；
氢气会在氢气缓冲装置15中缓存，在一定程度上平缓了氢气供给燃料电池17的压力(由于是化学反应，且氢气流经多个装置，没有氢气缓冲装置15达到燃料电池17中的流量可能会不稳定，不利于燃料电池17的直接反应)；当流量大，系统消耗不了所有的氢气后，则开启氢气缓冲装置15与泄氢口16之间的电控阀3；氢气缓冲装置15与氢化镁储藏箱6之间的电控阀3则基本为常开状态，其需要满足前后压差相等，否则会影响氢化镁和水的正常注入；
氢气缓冲装置15上的压力传感器22需设置压力上下报警点，用来匹配注料系统阀的开启选择，及时调整Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型固块氢化镁的混合比例；
氢缓装置后设有调压阀23，为了匹配一些燃料电池17出厂时进口处没有设置压力阀的情况；
整个系统除了燃料电池17尾端连接的排氢口外，全部为气密状态；
在系统判定气路内压力过高时可以开启氢发舱1与泄氢口16之间的电控阀3、氢气缓冲装置15与泄氢口16之间的电控阀3，向大气中泄氢，由于是低压氢气，排到大气中更安全，但不可遇到明火，故可在出氢口出加增湿冷却等装置。
燃料电池17补充的电功和外部负载有出入，可通过蓄电电池19调节输出电功率，在系统初期未启动反应舱时，也可以通过蓄电电池19先给负载供电。蓄电电池19可向系统供电，增加备用电池以防主供电断电。DCDC18则为燃料电池17转换稳定电压的必须物，在此固氢发电装置中配置以便输出外部负载可用电压。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，包括生氢机构，其特征在于：所述生氢机构包括固氢存放装置、氢发舱和反应水储水箱，所述反应水储水箱的出水口通过带有电控阀和水泵的管路连接所述氢发舱，所述固氢存放装置包括设置于一密封舱室内的不少于两个的氢化镁储藏箱，所述氢化镁储藏箱的出口设有电控阀，不同氢化镁储藏箱用于填装不同颗粒度大小的固块氢；
所述密封舱室内还设有送料机构，所述氢化镁储藏箱的出口通过所述送料机构连接所述氢发舱的进料口，氢发舱的出氢管通过带有电控阀的管路与液滤装置连接，液滤装置的液体出口通过带有电控阀的管路与反应水储水箱的入口连接；
所述送料机构包括设置在氢化镁储藏箱的出口下方的集料斗，集料斗的出口下方通过输送机构连接于混料斗上方，输送机构采用螺杆送料机构或是履带传送结构，混料斗的出口延伸至氢发舱进料口。
2.根据权利要求1所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：所述液滤装置包括冷凝装置，冷凝装置的进口与所述氢发舱的出氢管连接，冷凝装置的出口连接冷凝储水装置，所述冷凝储水装置的气体出口连接双向水洗装置入口，且所述双向水洗装置与所述冷凝储水装置之间还通过带有电控阀和水泵的管路连接，所述冷凝储水装置的排水口通过带有水泵和电控阀的管路连接所述反应水储水箱的入口。
3.根据权利要求2所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：所述生氢机构还包括设置于所述双向水洗装置气体出口处的气滤装置，气滤装置采用活性炭过滤装置。
4.根据权利要求3所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：所述气滤装置的出口连接有氢气缓冲装置，该氢气缓冲装置与泄氢口以及所述氢化镁储藏箱之间分别通过带有电控阀的管路连接。
5.根据权利要求4所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：还包括供电机构，供电机构包括燃料电池，燃料电池的氢气出口与泄氢口连接，燃料电池的氢气入口与氢气缓冲装置的出口连接，燃料电池通过DCDC连接有蓄电电池。
6.根据权利要求5所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：所述氢发舱的排废口通过带有电控阀的管路连接有反应物收集水箱，反应物收集水箱内设有渗透分离装置，反应物收集水箱的出水口通过带有电控阀的管路连接所述反应水储水箱的入口。
7.根据权利要求6所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：所述氢发舱的数量不少于两个，氢发舱内设有冷却装置和加热装置，氢发舱的气体出口通过带有单向阀的支管汇于所述出氢管，出氢管还通过带有电控阀的管路连接所述泄氢口。
8.根据权利要求7所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：所述氢气缓冲装置和所述出氢管上均设有压力传感器。
9.根据权利要求8所述的一种高温连续固块氢氢发装置生氢控制系统，其特征在于：所述氢气缓冲装置与所述燃料电池的氢气入口之间还设有调压阀。
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