CN116066803A - 一种煤层原位直燃取能系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种煤层原位直燃取能系统和方法，所述的煤层原位直燃取能系统包括伸入至煤层中的热交换循环液管、与热交换循环液管连接且相通的从煤层中伸出至地面的热交换循环蒸汽管、以及用于点燃煤层的点火装置；热交换循环液管用于输送液态的取热介质，煤层燃烧使液态的取热介质气化为过热蒸汽并由热交换循环蒸汽管输出，热交换循环蒸汽管输出的过热蒸汽供汽轮发电设备发电。本发明通过设置热交换循环液管来输送取热介质，通过设置热交换循环蒸汽管来输送液态的取热介质气化后的过热蒸汽，过热蒸汽输出到地面进行发电，实现煤层地下原位取能采热发电利用，可减少煤层燃烧产生热量的损失，提高煤层燃烧效率。

Description

一种煤层原位直燃取能系统和方法

技术领域

本发明属于煤炭开采技术领域，具体涉及一种煤层原位直燃取能系统和方法。

背景技术

煤炭地下气化技术已经发展了大几十年，煤炭地下原位气化是指将煤炭在原地条件下进行有控制地燃烧，通过对煤中固体有机物的热作用及化学作用产生混合气体，这种混合气经地面分级后可转化为各种燃料或原料，例如发电用的天然气、合成乙醇的一氧化碳和氢气，是煤炭清洁利用与生产化工原料的新技术。我国70％的煤炭资源分布在2000m以深，向深部进军开采煤炭资源是今后发展的必然趋势，煤炭地下气化技术为开采深部煤炭资源提供理论支撑。

CN202110074115.5披露了一种深层煤原位热解开采利用的工艺，其在目标煤层内部署煤炭热解区，从地面利用定向钻井方式建立热解工作面，产出通道，但其将煤层内井眼作为热解热源的输入通道，井壁煤层作为热量接受面，存在大部分热量散失严重的技术问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种煤层原位直燃取能系统，本发明的第二个目的是提供一种煤层原位直燃取能方法。

为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种煤层原位直燃取能系统，包括伸入至煤层中的热交换循环液管、与热交换循环液管连接且相通的从煤层中伸出至地面的热交换循环蒸汽管、以及用于点燃煤层的点火装置；热交换循环液管用于输送液态的取热介质，煤层燃烧使液态的取热介质气化为过热蒸汽并由热交换循环蒸汽管输出，热交换循环蒸汽管输出的过热蒸汽供汽轮发电设备发电。

上述技术方案，通过设置热交换循环液管来输送取热介质，通过设置热交换循环蒸汽管来输送液态的取热介质气化后的过热蒸汽，过热蒸汽输出到地面进行发电，实现煤层地下原位取能采热发电利用，相比现有技术，本方案可减少煤层燃烧产生热量的损失，提高煤层燃烧效率。

在本发明的一种优选实施方式中，取热介质为氟利昂或异丁烷。

上述技术方案，氟利昂或异丁烷的沸点为零下十几度，远低于水的沸点，将氟利昂或异丁烷加热至过热蒸汽所耗能量少，运用氟利昂或异丁烷蒸汽进行发电，能够极大地提高能量利用率。

在本发明的一种优选实施方式中，点火装置安装有定时引燃装置，点火装置为位于煤层中且具有化学凝固剂的化学凝固剂点火装置。

上述技术方案，采用化学凝固剂点火法，该种点火方法高效低廉，适合深部煤炭环境。

在本发明的一种优选实施方式中，该取能系统还包括伸入至煤层中的用于输送高温的空气/富氧空气的氧化剂供气管，氧化剂供气管输送的高温的空气/高温富氧空气能够排至煤层中，点火装置位于氧化剂供气管的前端。

上述技术方案，对于深部煤层还可以采取强制氧化法点火，通过氧化剂供气管将高温的空气/富氧空气输送到煤层，可直接点燃煤层，利于煤层的燃烧。

在本发明的一种优选实施方式中，氧化剂供气管与热交换循环液管采用双层套管结构，氧化剂供气管包裹在热交换循环液管外；和/或氧化剂供气管与热交换循环蒸汽管采用双层套管结构，氧化剂供气管包裹在热交换循环蒸汽管外。

上述技术方案，高温的热交换循环蒸汽管能够进一步加热氧化剂供气管中的气体，以提高热交换循环液管内空气或富氧空气的温度，更快速的点燃煤层。

在本发明的另一种优选实施方式中，煤层中钻设有水平井，水平井的两端分别通过第一竖井和第二竖井与地面连通，热交换循环液管通过第一竖井沿水平井铺设，热交换循环蒸汽管通过水平井沿第二竖井铺设至地面，点火装置位于水平井中。

在本发明的另一种优选实施方式中，热交换循环液管包括总液管、以及与总液管出口连通的位于煤层中的多根并联连接的水平分支液管，多根水平分支液管的出口与热交换循环蒸汽管相连。

上述技术方案，通过设置多根水平分支液管，以扩大热交换循环液管与煤层热量的接触面积。

在本发明的另一种优选实施方式中，煤层中钻设有若干水平盲井，每一个水平盲井通过一个第三竖井与地面连通，一个水平盲井与一个第三竖井组成一个“L”型钻井，若干“L”型钻井周向间隔分布，每一个第三竖井和水平盲井中均铺设有热交换循环液管和热交换循环蒸汽管，每个水平盲井中均安装有点火装置。

上述技术方案，周向间隔分布若干“L”型钻井，每个“L”型钻井中布置管道，增大煤层燃烧的利用效率。

在本发明的另一种优选实施方式中，在煤层燃烧蔓延的方向构建有阻断燃烧的阻燃墙；阻燃墙为注入高压水形成的地下水墙，或者阻燃墙为注入高压水泥浆形成的地下水泥墙。

上述技术方案，阻燃墙的设置使得煤层燃烧的边界可控。

为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种煤层原位直燃取能方法，包括如下步骤：

第一步，根据煤层赋存特征、煤层地质构造、煤阶与煤类、水文地质条件选择合适的直燃取能煤层；

第二步，钻井，包括竖井和水平井；

第三步，在钻井中布置管道，管道包括氧化剂供气管、热交换循环液管和热交换循环蒸汽管；

第四步，向热交换循环液管中注入取热介质；

第五步，向氧化剂供气管内注入富氧空气，接通点火装置，由氧化剂供气管前端出气口出来的气体点火燃烧；

第五步，在燃烧过程中，煤层燃烧的氧化区温度逐渐升高，加热热交换循环液管中的取热介质，使其转换为过热蒸汽并沿着热交换循环蒸汽管道输出至地面进行发电；在燃烧过程中，在燃烧区采集多个采样点的温度、多个采样点目标气体含量和气体产生速度，确定持续可控燃烧指数：

且有

其中，T_b为燃烧区的平均温度，ΔT为相邻采样点之间温度差的最大值，N为采样点的总数量，i为采样点的序号，H_i为第i个采样点的目标气体的单位时间的产量，H_b为目标气体单位时间的总产量，O_x为富氧空气单位时间的总输入量，V为燃烧区的体积，η为单位体积内的目标气体的安全占比限值，ΔH为相邻采样点之间目标气体单位时间的产量差的最大值；

第六步，若f<fmax,则加大富氧空气的供给量或提高温度，并实时监测煤层燃烧情况，当煤层燃烧至水平井端部时，停止富氧空气的供给，fmax为实验获取的持续可控燃烧指数的安全限值。

上述技术方案，可控快速地实现煤层原位直燃取能，通过设置持续可控燃烧指数，保证煤层安全高效地快速燃烧，在提高燃烧效率的前提下，提高了直燃取能的安全性。

相比现有技术，本发明较优的技术方案具有如下有益效果：本发明通过设置热交换循环液管来输送取热介质，通过设置热交换循环蒸汽管来输送液态的取热介质气化后的过热蒸汽，过热蒸汽输出到地面进行发电，实现煤层地下原位取能采热发电利用，可减少煤层燃烧产生热量的损失，提高煤层燃烧效率，同时将以CO2为主的燃烧产物气体固化并永久封存，从而实现碳达峰碳中和的战略目标。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例一的煤层原位直燃取能系统的结构示意图一。

图2是本申请实施例一的煤层原位直燃取能系统的结构示意图二。

图3是本申请实施例一的煤层原位直燃取能系统的结构示意图三。

图4是本申请实施例二的煤层原位直燃取能系统的结构示意图。

图5是本申请实施例二中的在一个“L”型钻井内布置管路的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：煤层10、热交换循环液管20、总液管21、水平分支液管22、热交换循环蒸汽管30、氧化剂供气管40、点火装置50、集热装置60。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

本实施例提供了一种煤层原位直燃取能系统，如图1所示，在本实施例的一种优选实施方式中，该取能系统包括从地面伸入至煤层10中的热交换循环液管20、与热交换循环液管20连接且相通的从煤层10中伸出至地面的热交换循环蒸汽管30、以及用于点燃煤层10的点火装置50。其中，热交换循环液管20用于输送液态的取热介质，取热介质为氟利昂或异丁烷，煤层10燃烧使液态的取热介质气化为过热蒸汽并由热交换循环蒸汽管30输出，热交换循环蒸汽管30输出的过热蒸汽供地面的汽轮发电设备发电。

在本实施方式中，煤层10中钻设有水平井，水平井的两端分别通过第一竖井和第二竖井与地面连通，比如第一竖井位于第二竖井的左侧，第一竖井、水平井和第二竖井组成一个“U”型钻井。热交换循环液管20通过第一竖井沿水平井铺设，热交换循环蒸汽管30通过水平井沿第二竖井铺设至地面，点火装置50位于水平井中。

需要说明的是，实际中，还需要对热交换循环蒸汽管30做好防止热量散失的措施，比如在热交换循环蒸汽管30外涂刷高温热反射涂料和高温隔热保温涂料，并做好第一竖井和第二竖井方向的保温隔热措施。

在本实施方式中，点火装置50安装有定时引燃装置，点火装置50为位于煤层10中且具有化学凝固剂的化学凝固剂点火装置，通过定时引燃化学凝固剂以点火。其中，化学凝固剂为利用基体燃料甲醇、凝固剂硬脂酸、催化剂甲醇钠、助燃剂铝粉和碳粉、氧化剂高氯酸钾、黏结剂硝化棉、增塑剂石蜡以及稳定剂大苏打制取成的性能稳定、燃烧焓为14246.5kJ/kg的化学点火剂。

如图1所示，在另一优选的实施方式中，该取能系统还包括从地面伸入至煤层10中的用于输送高温的空气或高温的富氧空气的氧化剂供气管40，在地面将空气或富氧空气加热至高温，通过氧化剂供气管40输送到煤层10使其氧化着火，优选氧化剂供气管40中输送的是高温的富氧空气，进一步优选地，富氧空气中氧气的体积分数大于60％，富氧空气温度大于500℃，具体可参考煤炭地下气化UGG的气化面温度。

其中，氧化剂供气管40通过第一竖井沿水平井铺设，点火装置50位于氧化剂供气管40的前端(即氧化剂供气管40的出气端)，化学凝固剂固定安装在氧化剂供气管40的前端。。

如图2所示，在另一优选的实施方式中，热交换循环液管20包括总液管21、以及与总液管21出口连通的位于煤层10中的多根并联连接的水平分支液管22，多根水平分支液管22的出口与热交换循环蒸汽管30入口相连。通过设置多根水平分支液管22，以扩大热交换循环液管20与煤层10热量的接触面积。

如图3所示，在另一优选的实施方式中，热交换循环液管20位于水平井中的管路上安装有具有金属鳍片的集热装置60，集热装置60设在水平分支液管22上，以提高热量的吸收率。

在另一优选的实施方式中，在煤层燃烧蔓延的方向构建有阻断燃烧的阻燃墙，比如在煤层燃烧蔓延的方向上打一排注水井,阻燃墙为注入高压水形成的地下水墙。优选在火势较猛的地方,阻燃墙为注入高压水泥浆形成的地下水泥墙。

在另一优选的实施方式中，在水平井中安装有监测监控系统，利用声发射技术监测煤层燃烧空腔内的温度分布、气体生成速率和气体含量，利用探地雷达远程技术监测煤在煤炭直燃过程中和之后的质量损失(孔隙率、裂缝)，实时形成区地雷达远程域的图像。

实施例二

本实施例的结构原理同实施例一的结构原理基本相同，不同的地方在于，钻井的结构和形式不同，如图4所示，在本实施例中，煤层10中钻设有若干水平盲井，每一个水平盲井通过一个第三竖井与地面连通，一个水平盲井与一个第三竖井组成一个“L”型钻井，若干“L”型钻井周向间隔分布，总体呈现圆筒状，图4所示为设置八个“L”型钻井。

结合图5所示，每一个第三竖井和水平盲井中均铺设有热交换循环液管20、热交换循环蒸汽管30和氧化剂供气管40，每个水平盲井中均安装有点火装置50。具体地，氧化剂供气管40与热交换循环液管20沿着第三竖井和水平盲井布置，同时热交换蒸汽管沿水平盲井方向的热交换循环液管20原路返回第三竖井铺设布置，氧化剂供气管40与热交换循环蒸汽管30平行布置，点火装置50的化学凝固剂固定在氧化剂供气管40的前端。

在另一优选的实施方式中，氧化剂供气管40与热交换循环液管20采用双层套管结构，氧化剂供气管40包裹在热交换循环液管20外。氧化剂供气管40与热交换循环蒸汽管30采用双层套管结构，氧化剂供气管40包裹在热交换循环蒸汽管30外，高温的热交换循环蒸汽管30能够进一步加热氧化剂供气管40中的气体，以提高热交换循环液管20内富氧空气的温度，更快速的点燃煤层10。

如图5所示，在本实施例中，热交换循环液管20位于水平盲井中的管路上也安装有具有金属鳍片的集热装置60。需要说明的是，当氧化剂供气管40与热交换循环液管20采用双层套管结构时，集热装置60设在氧化剂供气管40外。

实施例三

本实施例提供了一种煤层原位直燃取能方法，如图1-图5所示，该取能方法具体包括如下步骤：

第一步，根据煤层赋存特征、煤层地质构造、煤阶与煤类、水文地质条件选择合适的直燃取能煤层10。

第二步，钻井，包括竖井和水平井。其中竖井为实施例一中的第一竖井和第二竖井，水平井为实施例一三中的水平井；或者竖井为实施例二中的第三竖井，水平井为实施例二中的水平盲井。

第三步，在钻井中布置管道，管道包括氧化剂供气管40，热交换循环液管20和热交换循环蒸汽管30。

第四步，向热交换循环液管20中注入取热介质，取热介质为氟利昂或异丁烷。

第五步，向氧化剂供气管40内注入富氧空气，接通点火装置50，由氧化剂供气管40前端出气口出来的富氧空气点燃化学凝固剂以使煤层10燃烧。

第五步，在燃烧过程中，煤层10燃烧的氧化区温度逐渐升高，加热热交换循环液管20中的取热介质，使其转换为过热蒸汽并沿着热交换循环蒸汽管30道输出至地面进行发电；在燃烧过程中，在燃烧区采集多个采样点的温度、多个采样点目标气体含量和气体产生速度，确定持续可控燃烧指数：

且有

其中，T_b为燃烧区的平均温度，ΔT为相邻采样点之间温度差的最大值，N为采样点的总数量，i为采样点的序号，H_i为第i个采样点的目标气体的单位时间的产量，H_b为目标气体单位时间的总产量，O_x为富氧空气单位时间的总输入量，V为燃烧区的体积，η为单位体积内的目标气体的安全占比限值，ΔH为相邻采样点之间目标气体单位时间的产量差的最大值。

第六步，若f<fmax,则加大富氧空气的供给量或提高温度，并实时监测煤层10燃烧情况，当煤层10燃烧至水平井(或水平盲井)端部时，氧化剂供气管40停止富氧空气的供给，fmax为实验获取的持续可控燃烧指数的安全限值。

需要说明的是，煤层煤炭燃烧的灰烬以及地下水均可与碳酸化反应，并且将二氧化碳转化为可以稳定存在的碳酸盐，进而将二氧化碳永久地封存于地下，适当提高反应温度和反应压力，均有助于提高矿物碳酸化反应的固化率。

其中，第一步中，根据煤层赋存特征、煤层地质构造、煤阶与煤类、水文地质条件选择合适的直燃取能煤层，具体如下：

一、煤层赋存特征：包括煤层厚度、埋深和倾角。

①煤层厚度介于1.5～15.0m。厚煤层自身不仅可以作为隔热层，减少热量的散失，气化后的灰渣也可以大幅降低热量向底板方向传递。相反，薄煤层热量容易被围岩吸收，使气化盘区升温缓慢，煤炭气化率降低。

②埋深应当在100～500m。

③适合直燃取能的煤层倾角处于0°～70°，最佳气化倾角35°，可以避免燃烧后灰渣掉落产成的影响。

二、煤层地质构造：包括断层、陷落柱、褶皱和岩浆侵入。

①断层和陷落柱破坏煤层的稳定性和连续性，进而影响煤炭直燃取能过程，避开较大的断层和天然裂缝；气化盘区周围留有足够厚度的隔离煤柱，满足断层断距小于1/2平均煤层厚度，与断距大于煤层厚度的断层保持50～250m。

②气化煤层的褶曲幅度不应超过煤层厚度的一半，否则会影响燃控区的稳定性和气化剂的流通性。

③煤层选址应该避开岩浆侵入。

三、煤阶与煤类。需要满足褐煤孔隙发育，气化活性高、速率快。

四、水文地质条件。目标取燃煤层与顶、底板含水层之间有隔水层隔开，顶板隔水层的厚度要满足即使顶板塌陷后也不破坏隔水层的隔水功能，底板隔水层的厚度应保障底板含水层不会被加热。煤层顶板隔水层厚度不应小于煤层顶板裂隙带发育高度的1.5倍，预留煤柱宽度不低于5.0m。气化煤层底部有承压含水层存在时，应当评价煤层底板隔水层的安全性，底板隔水层能承受的水头值应大于承压含水层水头值。

在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，包括伸入至煤层中的热交换循环液管、与热交换循环液管连接且相通的从煤层中伸出至地面的热交换循环蒸汽管、以及用于点燃煤层的点火装置；

所述热交换循环液管用于输送液态的取热介质，煤层燃烧使液态的取热介质气化为过热蒸汽并由所述热交换循环蒸汽管输出，热交换循环蒸汽管输出的过热蒸汽供汽轮发电设备发电。

2.如权利要求1所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，所述取热介质为氟利昂或异丁烷。

3.如权利要求1所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，所述点火装置安装有定时引燃装置，所述点火装置为位于煤层中且具有化学凝固剂的化学凝固剂点火装置。

4.如权利要求3所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，还包括伸入至煤层中的用于输送高温的空气/富氧空气的氧化剂供气管，所述氧化剂供气管输送的高温的空气/富氧空气能够排至煤层中，所述点火装置位于氧化剂供气管的前端。

5.如权利要求4所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，所述氧化剂供气管与热交换循环液管采用双层套管结构，所述氧化剂供气管包裹在热交换循环液管外；

和/或所述氧化剂供气管与热交换循环蒸汽管采用双层套管结构，所述氧化剂供气管包裹在热交换循环蒸汽管外。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，所述煤层中钻设有水平井，所述水平井的两端分别通过第一竖井和第二竖井与地面连通，所述热交换循环液管通过第一竖井沿水平井铺设，所述热交换循环蒸汽管通过水平井沿第二竖井铺设至地面，所述点火装置位于水平井中。

7.如权利要求1-5中任一项所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，所述热交换循环液管包括总液管、以及与总液管出口连通的位于煤层中的多根并联连接的水平分支液管，多根水平分支液管的出口与热交换循环蒸汽管相连。

8.如权利要求1-5中任一项所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，所述煤层中钻设有若干水平盲井，每一个水平盲井通过一个第三竖井与地面连通，一个所述水平盲井与一个第三竖井组成一个“L”型钻井，若干“L”型钻井周向间隔分布，每一个第三竖井和水平盲井中均铺设有所述热交换循环液管和热交换循环蒸汽管，每个水平盲井中均安装有所述点火装置。

9.如权利要求1-5中任一项所述的一种煤层原位直燃取能系统，其特征在于，在煤层燃烧蔓延的方向构建有阻断燃烧的阻燃墙；

所述阻燃墙为注入高压水形成的地下水墙，或者所述阻燃墙为注入高压水泥浆形成的地下水泥墙。

10.一种利用权利要求3所述的煤层原位直燃取能系统的取能方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，根据煤层赋存特征、煤层地质构造、煤阶与煤类、水文地质条件选择合适的直燃取能煤层；

第二步，钻井，包括竖井和水平井；

第三步，在钻井中布置管道，管道包括氧化剂供气管、热交换循环液管和热交换循环蒸汽管；

第四步，向热交换循环液管中注入取热介质；

第五步，向氧化剂供气管内注入富氧空气，接通点火装置，由氧化剂供气管前端出气口出来的气体点火燃烧；

第五步，在燃烧过程中，煤层燃烧的氧化区温度逐渐升高，加热热交换循环液管中的取热介质，使其转换为过热蒸汽并沿着热交换循环蒸汽管道输出至地面进行发电；在燃烧过程中，在燃烧区采集多个采样点的温度、多个采样点目标气体含量和气体产生速度，确定持续可控燃烧指数：

其中，T_b为燃烧区的平均温度，ΔT为相邻采样点之间温度差的最大值，N为采样点的总数量，i为采样点的序号，H_i为第i个采样点的目标气体的单位时间的产量，H_b为目标气体单位时间的总产量，O_x为富氧空气单位时间的总输入量，V为燃烧区的体积，η为单位体积内的目标气体的安全占比限值，ΔH为相邻采样点之间目标气体单位时间的产量差的最大值；

第六步，若f<fmax,则加大富氧空气的供给量或提高温度，并实时监测煤层燃烧情况，当煤层燃烧至水平井端部时，停止富氧空气的供给，fmax为实验获取的持续可控燃烧指数的安全限值。

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