CN115653608A - 基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,属于海洋装备技术领域,其包括羽流收集单元、泵吸管组、分离沉降单元及固化排放单元,羽流收集单元包括防溢罩和抽吸内管,防溢罩有两个且左右对称布置。抽吸内管设在防溢罩内部,并与泵吸管组相连。固化排放单元包括固化沉淀仓、输送机构及高压喷射组件,高压喷射组件有两个,相对布置在固化沉淀仓内,与采矿车上的CO2储存罐管路相连。分离沉降单元包括依次相连的多个水力旋流器,泵吸管组通过水力旋流器与固化沉淀仓相连。本发明还公开了深海采矿羽流抑制封存方法。本发明的防溢罩对羽流的收集面积大、效率高,较好地减少羽流扩散,实现其快速沉降,起到治理羽流、实现碳封存的目的。
Description
技术领域
本发明涉及海洋装备技术领域,具体涉及一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置及方法。
背景技术
深海中的矿产资源多以结核形式存在,富含锰、镍、钴、铜等多种元素,极具商业开采价值。其所处环境不仅地形复杂,且因深度在数千米以上,具有高压、低温等特征。多金属结核赋存于水深4000-6000m海底稀软沉积物表层,往往处于半埋藏状态,多为球形,粒径一般为2~10cm,密度约2100kg/m3,丰度随水深变化的总趋势是水越深,丰度值越大。目前,多采用海底采矿车在海床上行走,来完成深海采矿过程中的第一道工序,即采集多金属矿石。
深海沉积物处于高压、高盐环境,富含碎屑、生物软泥、宇宙尘埃、火山物质等成分,且具有盐类电解质胶结物黏粒间“架桥”形成的独特絮状结构,其矿物组分及微观结构显著区别于陆域土和近海土。矿车行走使得沉积物黏粒间的胶结作用破坏,形成羽流。深海羽流一旦形成扩散,由于其粒径极小,导致其极难沉降,蔓延范围可达几千公里,悬浮时长可持续数十年。羽流水体浑浊,所到之处将导致大量深海生物窒息而亡,对深海生态环境带来毁灭性打击,浑浊的海水还会影响后续采矿工作的进行。因此,现有技术亟待进一步改进和提高。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明的一个目的在于提出一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,解决采矿车行走对海底稀泥扰动成形羽流,羽流在海底扩散造成海洋环境破坏及海底生物窒息,羽流治理难度大的问题。
为了解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,包括羽流收集单元、泵吸管组、分离沉降单元及固化排放单元,所述羽流收集单元包括防溢罩和抽吸内管,所述防溢罩有两个,左右对称布置在采矿车履带的上方。
抽吸内管设置在防溢罩内部,其一端穿出防溢罩与泵吸管组相连,防溢罩上开设有可供羽流进入抽吸内管的若干个导流孔。
固化排放单元位于分离沉降单元的下方,包括固化沉淀仓、输送机构及高压喷射组件,固化沉淀仓的底部后侧具有排放口,输送机构设置在固化沉淀仓的底部。
高压喷射组件有两个,相对布置在固化沉淀仓的内侧壁上,与设在采矿车上的CO2储存罐管路相连。
分离沉降单元包括依次相连的多个水力旋流器,泵吸管组的出水口与首位次水力旋流器的入口相连,各水力旋流器下端口均与固化沉淀仓的顶部相通。
进一步地,所述防溢罩包括双翼形的多个防溢罩单体,防溢罩单体为中空的长条板壳结构,多个防溢罩单体沿矿车履带的长度方向上下交替排布。
上侧各防溢罩单体的侧边与相邻的下侧防溢罩单体的顶部固定相连成一体,任意相邻两个防溢罩单体之间形成导流通道。
各防溢罩单体的一端与采矿车固定相连,另一端探出采矿车履带的外侧。
进一步地,防溢罩单体包括上弧板及对称布置于上弧板下方两侧的两个下弧板,两个下弧板相邻的一侧通过底板固定相连,相互远离的一侧分别与上弧板固定相连。
所述上弧板的两端分别设有一个端板,通过端板与底板及两个下弧板相连成一体结构。
进一步地,各所述防溢罩单体的底面具有规则排布的若干个导流孔,下侧各防溢罩的顶部与导流通道对应的位置也具有相同方式布置的若干个导流孔,工作状态下,羽流可由导流孔进入防溢罩的内部。
每个防溢罩单体内部均设有一个所述抽吸内管,抽吸内管的主体部分在防溢罩单体的长度方向布置在其内部,其圆周侧壁上具有规则布置的若干个长条孔。
抽吸内管一端与防溢罩单体的内壁固定相连,另一端穿出防溢罩单体的底面。
进一步地,泵吸管组包括分别设置一个泵吸主管的两个泵吸支管,两个泵吸支管分别设在防溢罩的下侧,各抽吸内管的另一端与均同侧的泵吸支管相连相通。
每个泵吸支管上均设有一个离心泵,离心泵配置有第一电机,两个泵吸支管通过所述泵吸主管与首位次水力旋流器的入口相连。
进一步地,除末位次以外的其余水力旋流器定顶部的溢流口均与其相邻下一位次水力旋流器的入口管路相连,末位次水力旋流器的溢流口可为采矿车的矿石采集装置供水。
进一步地,所述每个水力旋流器的下端口均通过一个变径连接管与固化沉淀仓的顶部相连,变径连接管的上端口为圆形,其下端口为方形。
变径连接管的内部具有两个阀板,两个阀板相对倾斜布置,上端与变径连接管的内壁铰接,阀板的上侧分壁通过一个弹簧与变径连接管的内壁相连。
进一步地,所述高压喷射组件包括多个高压射流喷头,多个高压射流喷头呈线性依次间隔布置,各高压射流喷头均与CO2输送管相连,其喷口均倾斜布置。
所述CO2输送管与设置在采矿车上的CO2储存罐相连,CO2储存罐的顶部设置有可连接海面支持母船的CO2输入管,其内部设置有高压泵,高压泵的出口端设置有压力控制阀。
进一步地,所述输送机构包括输送皮带、主动带轮和从动带轮,所述输送皮带纵向布置,从动带轮和主动带轮分别设置在输送皮带前后两端的内侧,主动带轮的轮轴一端配置有第二电机。
本发明的另一个目的在于提出一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存方法。
基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存方法,采用上述的深海采矿羽流抑制封存装置,实现对采矿车在海底行走过程中扰动淤泥形成的羽状流快速沉降。该方法包括如下步骤:
步骤一,水面支持母船上的CO2制备装置向采矿车上的CO2储存罐内注入CO2,CO2由其制备装置到达位于深海的CO2储存罐时,转变为液态CO2,在CO2储存罐内对液态CO2加压后进行临时储存。
步骤二,采矿车在海底行走过程中,在其履带周围形成的羽流经由防溢罩底部的导流孔进入其内部,再经抽吸内管进入泵吸管组,泵吸管组将其内部的羽流泵送至分离沉降单元。
步骤三,羽流首先进入首位次水力旋流器,并依次进入其余的水力旋流器,羽流中含有的泥沙沉降至各水力旋流器的底部形成泥浆,并由水力旋流器的底部进入固化沉淀仓内。
步骤四,CO2储存罐内部的液态CO2经由管道泵送至两个高压喷射组件,高压喷射组件对进入固化沉淀仓内的泥浆喷射液态CO2,液态CO2与富含泥沙的海水水充分混合会形成固态二氧化碳水合物,并快速沉降至固化沉淀仓的下部。
步骤五,输送机构将沉降至其表面的固态二氧化碳水合物输送至固化沉淀仓的底部后侧,经由排放口排至固化沉淀仓的外部,进入海底实现对的CO2封存。
通过采用上述技术方案,本发明的有益技术效果是:本发明将采矿车履带周围的羽流进行收集并经过多级水力旋流器分离出其内部的泥沙,送入固化沉淀仓内并在相对封闭的空间内通过喷射液态CO2,液态CO2与海水结合成包络泥沙的固态CO2水合物,实现快速沉降并排至海底封存。本发明的防溢罩采用双翼形结构,对羽流的收集面积大、效率高,能够较好地减少羽流的扩散,羽流沉降快速快、效率高,最大程度降低对海洋环境的破坏,起到治理羽流、实现碳封存的目的。
附图说明
图1是本发明一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置的结构示意图。
图2是本发明一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置的俯视结构示意图。
图3是图2中分离沉降单元和固化排放单元的组合结构示意图。
图4是本发明位于上侧的防溢罩单体的结构示意图。
图5是本发明位于下侧的防溢罩单体的结构示意图。
图6是本发明防溢罩单体和抽吸内管的组合结构剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明:
实施例1,结合图1至图6,一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,安装在深海采矿车上,以采矿车作为行走的载体实现其在海床上的行走。基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置包括羽流收集单元1、泵吸管组2、分离沉降单元3及固化排放单元4,所述羽流收集单元1包括防溢罩和抽吸内管11,所述防溢罩有两个,两个防溢罩左右对称布置在采矿车履带101的上方,防溢罩的前侧延伸至采矿车履带101的前端,其后侧相对于采矿车履带101的后端向后探出一段距离,以覆盖由采矿车履带101扰动在其周边形成的羽状流,羽状流又可称为羽流。
所述防溢罩包括双翼形的多个防溢罩单体12,防溢罩单体12为中空的长条板壳结构,多个防溢罩单体12沿矿车履带的长度方向上下交替排布,并固定焊接成一体,形成位于采矿车履带101正上方的盖板结构,阻止羽流扩散并对羽流吸收。
防溢罩单体12包括上弧板121及对称布置于上弧板121下方两侧的两个下弧板122,上弧板121和下弧板122均为上凸的弧形金属板,两个下弧板122相邻的一侧通过底板123固定相连,相互远离的一侧分别与上弧板121固定相连双翼形截面的管状。所述上弧板121的两端分别设有一个端板,通过端板与底板123及两个下弧板122相连成一体结构,形成防溢罩单体12的空腔结构。
具体地,上侧各防溢罩单体12的侧边与相邻的下侧防溢罩单体12的顶部固定密封焊接相连成一体,下侧防溢罩单体12的前后两侧边均采用倒圆角结构,任意相邻两个防溢罩单体12之间形成导流通道17。各防溢罩单体12的一端与采矿车固定相连,另一端探出采矿车履带101的外侧。工作时,各防溢罩单体12的内部均为负压状态,将其下方的羽流经由导流通道及导流孔13被连续吸入防溢罩单体12内。
抽吸内管11设置在防溢罩内部,抽吸内管11一端与防溢罩单体12的内壁固定相连,另一端穿出防溢罩单体12的底面与泵吸管组2相连。防溢罩上开设有可供羽流进入抽吸内管11的若干个导流孔13。具体地,各所述防溢罩单体12的底面具有规则排布的若干个导流孔13,下侧各防溢罩的顶部与导流通道对应的位置也具有相同方式布置的若干个导流孔13,工作状态下,羽流可由导流孔13进入防溢罩的内部。
每个防溢罩单体12内部均设有一个所述抽吸内管11,抽吸内管11的主体部分在防溢罩单体12的长度方向布置在其内部,其圆周侧壁上具有规则布置的若干个长条孔,抽吸内管11通过侧壁上的长条孔与其对应防溢罩单体12的内部相通。
泵吸管组2包括分别设置一个泵吸主管21的两个泵吸支管22,两个泵吸支管22分别设在防溢罩的下侧,各抽吸内管11的另一端与均同侧的泵吸支管22相连相通。每个泵吸支管22上均设有一个离心泵23,离心泵23配置有第一电机24,两个泵吸支管22通过三通接头与所述泵吸主管21的一端相连,泵吸主管21的另一端与分离沉降单元3的首位次水力旋流器31的入口相连。工作时,第一电机24驱动离心泵23转动,将泵吸支管22内的羽流连续泵送至分离沉降单元3内,泵吸支管22的前半段、抽吸内管11及防溢罩单体12均保持负压状态,羽流经由防溢罩单体12的表面进入抽吸内管11,再汇入泵吸支管22,由离心泵23经泵吸主管21送入分离沉降单元3的首位次水力旋流器31上部一侧的入口。
分离沉降单元3包括依次相连的四个水力旋流器31,泵吸管组2的出水口与首位次水力旋流器31的入口相连,各水力旋流器31下端口均与固化沉淀仓41的顶部相通。除末位次以外的其余水力旋流器31定顶部的溢流口均与其相邻下一位次水力旋流器31的入口管路相连,末位次水力旋流器31的溢流口可为采矿车的矿石采集装置供水。
具体地,首位次水力旋流器31顶部的溢流口与第二位次水力旋流器31的入口管路相连,第二位次水力旋流器31顶部的溢流口与第三位次水力旋流器31的入口管路相连,第三位次水力旋流器31顶部的溢流口与第四位次水力旋流器31的入口管路相连,泵吸管组2内的羽流经过多级水力旋流器31沉降后,羽流含有的泥沙基本被分离出来,分离后的海水由第四位次水力旋流器31顶部的溢流口排出,分离后的泥沙由各水力旋流器31下端口经过变径连接管6进入固化沉淀仓41内。
进一步地,所述每个水力旋流器31的下端口均通过一个变径连接管6与固化沉淀仓41的顶部相连,变径连接管6的上端口为圆形,其下端口为方形。变径连接管6的内部具有两个阀板61,两个阀板61相对倾斜布置,上端与变径连接管6的内壁铰接,阀板61的上侧分壁通过一个弹簧62与变径连接管6的内壁相连,两个阀板61控制泥沙进入固化沉淀仓41的速度和流量。
固化排放单元4位于分离沉降单元3的下方,包括固化沉淀仓41、输送机构42及高压喷射组件,固化沉淀仓41的底部后侧具有排放口44,输送机构42设置在固化沉淀仓41的底部。高压喷射组件有两个,相对布置在固化沉淀仓41的内侧壁上,与设在采矿车上的CO2储存罐52管路相连。所述高压喷射组件包括多个高压射流喷头43,多个高压射流喷头43呈线性依次间隔布置,各高压射流喷头43均与CO2输送管51相连,其喷口均倾斜布置。泥沙进入固化沉淀仓41,高压射流喷头43向固化沉淀仓41内喷射液态CO2,液态CO2与固化沉淀仓41内的海水结合形成固态CO2水合物,泥沙被包络在固态CO2水合物内一起沉降至固化沉淀仓41的底部。
所述输送机构42包括输送皮带421、主动带轮422和从动带轮423,所述输送皮带421纵向布置,从动带轮423和主动带轮422分别设置在输送皮带421前后两端的内侧,主动带轮422的轮轴一端配置有第二电机,第二电机驱动主动带轮422转动,主动带轮422通过输送皮带421带动从动带轮423转动。固态CO2水合物沉降至输送皮带421的上表面,并由输送皮带421将连续沉降的固态CO2水合物送至固化沉淀仓41的底部后侧的排放口44处,经排放口44排至固化沉淀仓41的外部,实现CO2在海底的封存。
所述CO2输送管51与设置在采矿车上的CO2储存罐52相连,CO2储存罐52的顶部设置有可连接海面支持母船的CO2输入管53,其内部设置有高压泵,高压泵的出口端设置有压力控制阀。工作状态下,海面支持母船通过CO2输入管53向CO2储存罐52供入液态CO2,CO2储存罐52通过其内部的高压泵及CO2输送管51向高压射流喷头43提供液态CO2,高压射流喷头43向固化沉淀仓41内连续喷射液态CO2。
所述采矿车的前侧设置有射流采集罩81,射流采集罩81的底部敞口,其顶部通过抽吸管道82与采矿车的矿石暂存仓相连相通,射流采集罩81前后两侧的内部上分别设有一组射流喷管83,第四位次水力旋流器31顶部的溢流口与各射流喷管83管路相连,并为射流喷管83供水。
实施例2,结合图1至图5,一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存方法,采用上述深海采矿羽流抑制封存装置,实现对采矿车在海底行走过程中扰动淤泥形成的羽状流快速沉降。基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存方法,包括如下步骤:
步骤一,水面支持母船上的CO2制备装置向采矿车上的CO2储存罐内注入CO2,CO2由其制备装置到达位于深海的CO2储存罐时,转变为液态CO2,在CO2储存罐内对液态CO2加压后进行临时储存。
步骤二,采矿车在海底行走过程中,在其履带周围形成的羽流经由防溢罩底部的导流孔被泵吸进入其内部,再经抽吸内管进入泵吸管组,泵吸管组将其内部的羽流泵送至分离沉降单元。
步骤三,羽流首先进入首位次水力旋流器,并依次进入其余的水力旋流器,羽流中含有的泥沙沉降至各水力旋流器的底部形成泥浆,并由水力旋流器的底部进入固化沉淀仓内,泥沙在固化沉淀仓内与海水混合。
步骤四,CO2储存罐内部的液态CO2经由管道泵送至两个高压喷射组件,高压喷射组件对进入固化沉淀仓内的泥浆喷射液态CO2,液态CO2与富含泥沙的海水水充分混合会形成固态二氧化碳水合物,并快速沉降至固化沉淀仓的下部。
步骤五,输送机构将沉降至其表面的固态二氧化碳水合物输送至固化沉淀仓的底部后侧,经由排放口排至固化沉淀仓的外部,进入海底实现对的CO2封存。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,包括羽流收集单元、泵吸管组、分离沉降单元及固化排放单元,所述羽流收集单元包括防溢罩和抽吸内管,所述防溢罩有两个,左右对称布置在采矿车履带的上方;
抽吸内管设置在防溢罩内部,其一端穿出防溢罩与泵吸管组相连,防溢罩上开设有可供羽流进入抽吸内管的若干个导流孔;
固化排放单元位于分离沉降单元的下方,包括固化沉淀仓、输送机构及高压喷射组件,固化沉淀仓的底部后侧具有排放口,输送机构设置在固化沉淀仓的底部;
高压喷射组件有两个,相对布置在固化沉淀仓的内侧壁上,与设在采矿车上的CO2储存罐管路相连;
分离沉降单元包括依次相连的多个水力旋流器,泵吸管组的出水口与首位次水力旋流器的入口相连,各水力旋流器下端口均与固化沉淀仓的顶部相通。
2.根据权利要求1所述基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,所述防溢罩包括双翼形的多个防溢罩单体,防溢罩单体为中空的长条板壳结构,多个防溢罩单体沿矿车履带的长度方向上下交替排布;
上侧各防溢罩单体的侧边与相邻的下侧防溢罩单体的顶部固定相连成一体,任意相邻两个防溢罩单体之间形成导流通道;
各防溢罩单体的一端与采矿车固定相连,另一端探出采矿车履带的外侧。
3.根据权利要求2所述基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,防溢罩单体包括上弧板及对称布置于上弧板下方两侧的两个下弧板,两个下弧板相邻的一侧通过底板固定相连,相互远离的一侧分别与上弧板固定相连;
所述上弧板的两端分别设有一个端板,通过端板与底板及两个下弧板相连成一体结构。
4.根据权利要求2所述基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,各所述防溢罩单体的底面具有规则排布的若干个导流孔,下侧各防溢罩的顶部与导流通道对应的位置也具有相同方式布置的若干个导流孔,工作状态下,羽流可由导流孔进入防溢罩的内部;
每个防溢罩单体内部均设有一个所述抽吸内管,抽吸内管的主体部分在防溢罩单体的长度方向布置在其内部,其圆周侧壁上具有规则布置的若干个长条孔;
抽吸内管一端与防溢罩单体的内壁固定相连,另一端穿出防溢罩单体的底面。
5.根据权利要求4所述基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,泵吸管组包括分别设置一个泵吸主管的两个泵吸支管,两个泵吸支管分别设在防溢罩的下侧,各抽吸内管的另一端与均同侧的泵吸支管相连相通;
每个泵吸支管上均设有一个离心泵,离心泵配置有第一电机,两个泵吸支管通过所述泵吸主管与首位次水力旋流器的入口相连。
6.根据权利要求1所述基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,除末位次以外的其余水力旋流器定顶部的溢流口均与其相邻下一位次水力旋流器的入口管路相连,末位次水力旋流器的溢流口可为采矿车的矿石采集装置供水。
7.根据权利要求6所述一种基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,所述每个水力旋流器的下端口均通过一个变径连接管与固化沉淀仓的顶部相连,变径连接管的上端口为圆形,其下端口为方形;
变径连接管的内部具有两个阀板,两个阀板相对倾斜布置,上端与变径连接管的内壁铰接,阀板的上侧分壁通过一个弹簧与变径连接管的内壁相连。
8.根据权利要求1所述基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,所述高压喷射组件包括多个高压射流喷头,多个高压射流喷头呈线性依次间隔布置,各高压射流喷头均与CO2输送管相连,其喷口均倾斜布置;
所述CO2输送管与设置在采矿车上的CO2储存罐相连,CO2储存罐的顶部设置有可连接海面支持母船的CO2输入管,其内部设置有高压泵,高压泵的出口端设置有压力控制阀。
9.根据权利要求1所述基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,所述输送机构包括输送皮带、主动带轮和从动带轮,所述输送皮带纵向布置,从动带轮和主动带轮分别设置在输送皮带前后两端的内侧,主动带轮的轮轴一端配置有第二电机。
10.基于二氧化碳的深海采矿羽流抑制封存方法,采用如权利要求1至9任意一项所述的深海采矿羽流抑制封存装置,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一,水面支持母船上的CO2制备装置向采矿车上的CO2储存罐内注入CO2,CO2由其制备装置到达位于深海的CO2储存罐时,转变为液态CO2,在CO2储存罐内对液态CO2加压后进行临时储存;
步骤二,采矿车在海底行走过程中,在其履带周围形成的羽流经由防溢罩底部的导流孔进入其内部,再经抽吸内管进入泵吸管组,泵吸管组将其内部的羽流泵送至分离沉降单元;
步骤三,羽流首先进入首位次水力旋流器,并依次进入其余的水力旋流器,羽流中含有的泥沙沉降至各水力旋流器的底部形成泥浆,并由水力旋流器的底部进入固化沉淀仓内;
步骤四,CO2储存罐内部的液态CO2经由管道泵送至两个高压喷射组件,高压喷射组件对进入固化沉淀仓内的泥浆喷射液态CO2,液态CO2与富含泥沙的海水水充分混合会形成固态二氧化碳水合物,并快速沉降至固化沉淀仓的下部;
步骤五,输送机构将沉降至其表面的固态二氧化碳水合物输送至固化沉淀仓的底部后侧,经由排放口排至固化沉淀仓的外部,进入海底实现对的CO2封存。
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