DD290334A7

DD290334A7 - CONTROLLABLE GAS BURNER FOR THREE-HEAD PANS

Info

Publication number: DD290334A7
Application number: DD32094488A
Authority: DD
Inventors: Uwe Urbanek; Walter Jannsen
Original assignee: Zementwerke Bernburg Gmbh I.G.,De
Priority date: 1988-10-21
Filing date: 1988-10-21
Publication date: 1991-05-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen als Einkanalbrenner ausgebildeten steuerbaren, primaerluftfreien Gasbrenner fuer Drehrohroefen, in denen Hochtemperaturprozesse ablaufen, wie beispielsweise der Zementklinkerbrand, der Rohschamottebrand oder aehnliches, und wo es auf eine breite Variationsmoeglichkeit in der Waermeentbindungs- und Waermeabgabefaehigkeit der Flamme, sowie ihrer Laenge und Kontur ankommt. Das Ziel der Erfindung ist es, die Effektivitaet derartiger Prozesse zu verbessern, indem durch eine breite Steuerbarkeit die Flammenausbildung den jeweiligen Prozeszerfordernissen optimal angepaszt werden kann. Das Wesen der Erfindung besteht in der durch ein Steuerrohr abgestuften Wirkung eines axial verschiebbaren als Drallerzeuger und Verdraengungskoerper ausgebildeten Steuerkoerpers, wodurch drallfreie, schlanke Flammen von lang bis kurz und Drallflammen unterschiedlich hoher Intensitaet erzeugt werden koennen. Der Gasbrenner zeichnet sich durch einen geringen Fertigungs- und Wartungsaufwand aus. Fig. 1{Gasbrenner, primaerluftfrei; Drehrohrofen; Flammenausbildung; Steuerbarkeit; Zementklinkerbrand; Rohschamottebrand}The invention relates to a designed as a single-channel burner controllable, primaerluftfreien gas burner for Drehrohroefen in which run high-temperature processes, such as cement clinker fire, Rohschamottebrand or the like, and where there is a wide Variationsmoeglichkeit in Waermeentbindungs- and Waermeabgabefaehigkeit the flame, and their length and contour arrives. The aim of the invention is to improve the effectiveness of such processes by optimally adapting the flame formation to the respective process requirements by means of a broad controllability. The essence of the invention consists in the graded by a control tube effect of an axially displaceable as a swirl generator and Verdraengungskoerper trained Steuerkoerpers, whereby twist-free, slender flames of long to short and swirl flames of different intensity can be generated. The gas burner is characterized by a low production and maintenance. Fig. 1 {gas burner, primaerluftfrei; Rotary kiln; Flame spread; controllability; Cement clinker fire; Rohschamottebrand}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Gasbrenner für Drehrohrofen, in denen Wärm- und Brennprozesse irr Hochtemperaturbereich ablaufen.The invention relates to a controllable gas burner for rotary kilns in which heat and combustion processes run irr high temperature range.

Er wurde vorzugsweise für erdgasbefeuerte Drehrohröfen der Zementindustrie entwickelt, ist aber auch für andere gasförmige Brennstoffe geeignet, sowie als Gaslanze in Gemischbrennern.It was developed primarily for natural gas fired rotary kilns in the cement industry, but is also suitable for other gaseous fuels, as well as a gas lance in mixture burners.

Da der Brenner ohne Primärluft arbeitet, ist er insbesondere für solche Einsatzfälle geeignet, wo die Verbrennungsluft auf hohe Temperaturen vorgewärmt werden kann.Since the burner operates without primary air, it is particularly suitable for those applications where the combustion air can be preheated to high temperatures.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Für eine optimale Prozeßführung in Drehrohröfen, insbesondere Zementdrehrohröfen, ist ein Bronner mit weitreichender Variabilität in der Flammenausbildung vorteilhaft.For optimum process control in rotary kilns, in particular cement rotary kilns, a Bronner with far-reaching variability in flame formation is advantageous.

Im wesentlichen müssen drei Flammenarten einschließlich den dazugehörigen Zwischenformen vom Brenner gleitend einstellbar sein. Für das Anfahren eines kalten, frisch ausgemauerten Ofens und für Betriebsphasen mit schwachem Ansatz, sowie bei hohen Drehofenmanteltemperaturen ist eine lange, weiche Flamme mit einem gestreckten, in der Höhe leicht reduzierten Temperaturmaximum günstig.Essentially, three types of flames, including the associated intermediate forms, must be slidably adjustable by the burner. For starting up a cold, freshly bricked oven and for operating phases with a weak batch, as well as at high rotary kiln jacket temperatures, a long, soft flame with a stretched, slightly reduced in height temperature maximum is favorable.

Eine solche Flamme ist mit relativ niedrigen Ausströmgeschwindigkeiten des Brenngases in drallfreier, rein axialer Form erreichbar.Such a flame can be achieved with relatively low outflow velocities of the fuel gas in spin-free, purely axial form.

Bei normalen Drehofenmanteltemperaturen und Ansalzverhältnissen und einem stabilen, ruhigen Ofengang ist eine mittellange Flamme mit hoher Strahlungsleistung ausreichend, die zur Schonung des Ofenfutters eine schlanke Geometrie besitzen sollte.At normal rotary kiln jacket temperatures and salting conditions and a stable, quiet kiln, a medium-length flame with high radiation power is sufficient, which should have a slim geometry to protect the furnace lining.

Diese Flammenart kann ebenfalls mittels drallfreier Freistrahlen realisiert werden, wozu aber die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngases ausreichend hoch einstellbar sein muß, zum Beispiel bei Erd' isen bis auf Schallgeschwindigkeit.This type of flame can likewise be realized by means of spin-free free jets, for which purpose, however, the outflow velocity of the fuel gas must be sufficiently high, for example in the case of earths up to the speed of sound.

Für das Abbrennen von Auslaufringen, das schnelle Abfangen von Schwachbrandperioden, bei brenntechnisch schwierigem Material und in weiteren Fällen, bei denen es auf eine hohe, konzentrierte Strahlungsleistung der Flamme ankommt, ist eine stark forcierte Verbrennung mit kürzestmöglicher Flammenlage und höchstem, steil verlaufendem Temperaturprofil erforderlich.For the burning of leaking rings, the fast interception of weak burning periods, material that is difficult to burn, and in other cases where a high, concentrated radiation power of the flame is required, highly forced combustion with the shortest possible flame position and the highest, steeply running temperature profile is required.

Hierzu eignen sich besonders Drallflammen mit einem hohen Drallgrad und hohen Absolutgeschwindigkeiten des Brenngases.Particularly suitable for this purpose are swirl flames with a high degree of swirl and high absolute speeds of the fuel gas.

Für den optimalen Betrieb einer Drehofenanlage muß der Gasbrenner das genannte Spektrum an Flammenarten einschließlich der Zwischenformen bereitstellen können, wobei zur Vermeidung wärmetechnischer Verluste auf die Verwendung von Primärluft verzichtet werden soll. Die Mehrzahl der für das genannte Anwendungsgebiet eingesetzten Brenner sind sogenannte Mehrkanalbrenner, die neben dem Brenngas auch Primärluft zur Flammenausbildung einsetzen.For optimum operation of a rotary kiln plant, the gas burner must be able to provide the mentioned spectrum of flame types, including the intermediate forms, and to avoid the use of primary air to avoid thermal losses. The majority of the burners used for the named field of application are so-called multi-channel burners, which also use primary air for flame formation in addition to the fuel gas.

Beispiele hierfür sind in DE 2002407 B 2 (F 23 D 15/00) und DE-OS 2160045 (F 23 d, 15/00) beschrieben.Examples of this are described in DE 2002407 B 2 (F 23 D 15/00) and DE-OS 2160045 (F 23 d, 15/00).

Durch unterschiedliche Gas- und Luftgeschwindigkeiten, sowie Drall wird eine rasche Vermischung von Gas und Verbrennungsluft angestrebt und die Flammenausbildung beeinflußt.By different gas and air velocities, as well as swirl a rapid mixing of gas and combustion air is sought and influenced the formation of flames.

Insbesondere für die Erdgasverbrennung besitzen diese Brenner den Mangel, daß durch die Verwendung von Primäriuft ein Selbstkarburierungsprozeß in der Flamme unterbunden wird, die Wärmeabgabefähigkeit an das Brenngut dadurch vermindert und die Wärmerückgewinnung durch die Verwendung vorgewärmter Verbrennungsluft aus Kühlaggregaten reduziert wird.In particular, for the natural gas combustion, these burners have the defect that the use of Primäriuft a Selbstkarburierungsprozeß is prevented in the flame, thereby reducing the heat-emitting capacity of the kiln and the heat recovery is reduced by the use of preheated combustion air from refrigeration units.

Diese Brenner besitzen ferner eine große Eige... „_ _JU und erfordern einen hohen Fertigungs- und Reparaturaufwand.These burners also have a great deal of " _JU and require a high production and repair costs.

Derprimärluftfreie Gasbrennernach DE-AS 23U7399 (F 23 D15/00) besitzt nur die Möglichkeit, durch Verschieben eines massiven Einbauteiles die Flammenausbildung über die Ausströmgeschwindigkeit zu beeinflussen. Diese Steuermöglichkeit genügt den Prozeßanforderungen nicht.The primary-air-free gas burner according to DE-AS 23U7399 (F 23 D15 / 00) has only the possibility of influencing the flame formation via the outflow velocity by displacing a solid built-in component. This control option does not meet the process requirements.

Der im DD 185888 (F 23 D 15/00) beschriebene primärluftfreie Gasbrenner beseitigt eine Vielzahl der genannten Nachteile, schöpft aber nicht alle Möglichkeiten in der Steuerbarkeit der Flammenausbildung und des Wärmeentbindungsprozesses aus.The primary air-free gas burner described in DD 185888 (F 23 D 15/00) eliminates a large number of the disadvantages mentioned, but does not exhaust all possibilities in the controllability of the flame formation and the heat release process.

Ursache hierfür ist die durch die Konstruktion des Einbauteiles bedingte Verbindung von maximaler axialer Ausströmgeschwindigkeit und Drallerteilung.This is due to the construction of the built-in conditional connection of maximum axial Ausströmgeschwindigkeit and twist distribution.

Da hohe axiale Ausströmgeschwindigkeiten nur kleine Drallgrade zulassen und umgekehrt, muß bei der Auslegung dieses steuerbaren Einkanalbrenners immer ein Kompromiß zwischen diesen beiden Einflußgrößen auf die Flammenausbildung geschlossen werden. Dieses hat zwangsläufig Einschränkungen in der Steuerbarkeit der Flamme und damit in den Eingriffsmöglichkeiten auf den Brennprozeß mit entsprechenden Effektivitätsverlusten zur Folge.Since high axial outflow rates allow only small degrees of swirl and vice versa, in the design of this controllable single-channel burner always a compromise between these two influencing variables on the flame training must be concluded. This inevitably has limitations in the controllability of the flame and thus in the intervention options on the firing process with corresponding loss of effectiveness result.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist es, durch eine Erweiterung der Flammenvariabilität die für die jeweilige Ofensituation optimale Flamme einstellen zu können, um so höhere spezifische Durchsätze und Brennstoffeinsparungen zu erreichen, wobei der Aufwand für Fertigung, Montage und Instandhaltung des Brenners minimal sein soll. Durch erweiterte Eingriffsmöglichkeiten auf die Feuerführung sollen Voraussetzungen geschaffen werden, um auf besondere Ofensituationen verbessert reagieren, den Ofenbetrieb stabilisieren und intensivieren zu können, aber auch ein anlagenschonendes Fahren und eine Verbesserung der Futterstandzeiten zu erreichen.The aim of the invention is to be able to set the optimum flame for the respective furnace situation by expanding the flame variability, so as to achieve higher specific throughputs and fuel savings, the cost of manufacturing, assembly and maintenance of the burner should be minimal. By extended possibilities of intervention on the fire control conditions are to be created, in order to be able to respond better to special furnace situations, to be able to stabilize and intensify the furnace operation, but also to achieve a plant-friendly driving and an improvement of the feed life.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen konstruktiv einfachen, leicht zu bedienenden, primärluftfreien Gasbrenner zu schaffen, mit dem die für einen effektiven Brennprozeß in einem Drehrohrofen erforderlichen Flammenarten einstellbar sind, Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem der Brenner eine konische Brennerdüse besitzt, vor der ein im Brennerkopf konzentrisch angeordnetes Steuerrohr endet, in dem sich ein axial verschiebbarer Steuerkörper befindet, der durch Vorfahren den freien Querschnitt der Brennerdüse von offen bis Null variieren kann, selbst als ein Drallerzeuger in Form eines rückseitig geschlossenen Rohres mit in der Rohrwand angeordneten Drallschlitzen ausgebildet ist, wobei die Drallf ohlitze vom Steuerrohr in hinteren Stellungen des Steuerkörpers dicht verschlossen sind, und erst beginnend ab einer Position .or dem Anschlagpunkt des Steuerkörpers in der Brennerdüse freigegeben werden, die der Länge der Drallschlitze entspricht.The object of the invention is to provide a structurally simple, easy-to-use, primary-air-free gas burner, with which the required for an effective burning process in a rotary kiln types of flames are adjustable, According to the invention the object is achieved by the burner has a conical burner nozzle, before a concentrically arranged in the burner head control tube ends, in which there is an axially displaceable control body, which can vary the open cross-section of the burner nozzle by ancestors from open to zero, even as a swirl generator in the form of a back-closed tube formed with arranged in the tube wall swirl slots is, with the swirl holes are tightly closed by the control tube in the rear positions of the control body, and are released only starting from a position .OR the abutment point of the control body in the burner nozzle, which corresponds to the length of the swirl slots.

Merkmal der erfinderischen Lösung ist weiterhin, daß ausgehend von der hintersten Position des Steuerkörpers, in der die Brennerdüse vollständig geöffnet ist, die Ausströmgeschwindigkeit des Brenngases als reine Axialkomponente von minimal bis maximal durch Vorfahren des Steuerkörpers variiert werden kann, ohne daß gleichzeitig eine Drallkomponente erzeugt wird, wodurch.lange, weiche bis kurze, intensive, aber immer schlanke Flammen erzeugt werden können, da das Steuerrohr bis zumFeature of the inventive solution is further that, starting from the rearmost position of the control body in which the burner nozzle is fully open, the outflow velocity of the fuel gas can be varied as a pure axial component of minimum to maximum by ancestors of the control body, without simultaneously a swirl component is generated , which can produce long, soft to short, intense, but always slender flames, since the head tube reaches up to

Erreichen der Maximalgeschwindigkeit der Drallschlitze verschließt und erst nach Überfahren dieses Punktes die Drallschlitze in dem gleichen Maße öffnet, wie die offene Ringspaltfläche zwischen der Brennerdüse und dem Steuerkörper durch das Vorfahren reduziert wird.Reaching the maximum speed of the swirl slots closes and only after passing this point, the swirl slots opens to the same extent as the open annular gap area between the burner nozzle and the control body is reduced by the ancestor.

Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, daß ab diesem Punkt die maximale Gasgeschwindigkeit im Ringspalt konstant bleibt und die Absolutgeschwindigkeit des Drallgases in den Drallschlitzen und im Drallraum des Steuerkörpers ebenso hoch ist.As a result, it is achieved according to the invention that, from this point, the maximum gas velocity in the annular gap remains constant and the absolute velocity of the swirl gas in the swirl slots and in the swirl space of the control body is also high.

Mit steigender Drallgasmenge nimmt der Drallgrad der Flamme zu, wodurch sie an Schärfe gewinnt.As the amount of swirl gas increases, the degree of swirl of the flame increases, thereby gaining sharpness.

Durch diese mittels des Steuerrohres abgestufte Wirkung des Steuerkörpers wird das angestrebte Spektrum der Flammenarten erreicht, indem langsame his höchste axiale Ausströmgeschwindigkeiten unabhängig von der Drallerzeugung eingestellt werden können und so die gewünschten schlanken futter- und ansatzschonenden Flammen erzielt werden.By this means of the control tube graduated effect of the control body, the desired spectrum of the flame types is achieved by slow his highest axial Ausströmgeschwindigkeiten can be adjusted independently of the generation of swirl and so the desired slender lining and approach friendly flames are achieved.

Ferner wird durch das Steuerrohr erreicht, daß erst nach Ausschöpfung des über die axiale Ausströmgeschwindigkeit erreichbaren Forcierungsgrades der Flamme der Drall als weiteres Intensivierungsmittel zum Einsatz kommt, da der Drall wegen seiner möglichen Negativeffekte auf Ansatz und Ofenfutter nur mit Vorsicht bzw. kurzzeitig angewendet werden soll.Furthermore, it is achieved by the control tube, that comes only after exhaustion of achievable via the axial Ausströmgeschwindigkeit Forcierungsgrades the flame of the swirl as a further intensifying agent is used, since the swirl due to its possible negative effects on approach and feed should be used only with care or for a short time.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Brenners wird erreicht, daß mit der öffnung der Drallschlitze die Geschwindigkeit des vom Ringspalt ausgehenden Mantelstrahles nicht abfällt, somit die verdrallte Kernströmung über einen weiten Stellbereich geführt und eine zu raschen Verbreiterungen der Flamme verhindert wird.The inventive design of the burner ensures that the velocity of the outgoing from the annular gap skirt jet does not fall off with the opening of the swirl slots, thus the twisted core flow over a wide control range and too rapid broadening of the flame is prevented.

Die teilweise bis ganz geöffneten Drallschlitze werden vom Brenngas mit Maximalgeschwindigkeit durchströmt, wodurch bei der Drallerzeugung keine Verluste an kinetischer Energie des Brenngases entstehen und schon kleine Drallgasmengen hohe Dralleffekte erzielen.The partially to completely open swirl slots are flowed through by the fuel gas at maximum speed, which in the swirl generation no losses of kinetic energy of the fuel gas arise and even small amounts of swirl gas achieve high swirling effects.

Durch eine entsprechende Dimensionierung des Steuerkörpers können wesentlich höhere Drallgrade erreicht werden als bei bekannten Drallbrennern, ohne daß daraus Nachteile für die Erzeugung der schlanken Flammenarten resultieren.By a corresponding dimensioning of the control body much higher degrees of swirl can be achieved than in known swirl burners, without resulting in disadvantages for the generation of the slender types of flames.

Die erfinderische Lösung bietet dem Konstrukteur die Möglichkeit einen Gasbrenner mit einer Flammenvariabilität zu schaffen, die bekannte technische Lösungen in dieser Breite bisher nicht zuließen.The inventive solution offers the designer the opportunity to create a gas burner with a flame variability that previously did not allow known technical solutions in this breadth.

Merkmal der erfinderischen Lösung ist ferner, daß durch die vom Steuerkörper unabhängige Gasführung bis in die Brennerdüse die Kühlung aller Teile des Brennerkopfes immer gewährleistet ist.Feature of the inventive solution is further that the cooling of all parts of the burner head is always guaranteed by the independent of the control body gas flow into the burner nozzle.

Die Bedienung des erfindungsgemäßen Gasbrenners ist einmal auf Grund des Einkanalprinzipes einfach, aber auch weil dieThe operation of the gas burner according to the invention is simple because of the single-channel principle, but also because the

Übergänge von der einen Flammenart zur anderen immer weich und gleitend erfolgen, so daß auch hohe Drallgrade gefühlvoll zum Einsatz gebracht werden können.Transitions from one type of flame to the other are always soft and smooth, so that even high degrees of swirl can be sensitively used.

Ausführungsbeispielembodiment

Fig. 1: Kopf des GasbrennersFig. 1: Head of the gas burner

Fig. 2: Schema des Gasbrenners mit Steuerkörpers in hinterster PositionFig. 2: Scheme of the gas burner with control body in the rearmost position

Fig. 3: Schema des Gasbrenners mit Steuerkörper in vorgeschobener PositionFig. 3: Scheme of the gas burner with control body in the advanced position

Fig.4: Schema des Gasbrenners mit Steuerkörper in AnschlagpositionFig.4: Scheme of the gas burner with control body in stop position

Figur 1 zeigt den steuerbaren Gasbrenner für Drehrohröfen bestehend aus einem äußeren Brennerrohr 1, einer sich vorzugsweise in zwei Stufen konisch verjüngenden Brennerdüse 3, vor der ein Steuerrohr 2 endet, das über vorzugsweise 2x4 Stck. Distanzbleche 8 konzentrisch und feststehend im Brennerrohr 1 angeordnet ist und dichtschließend den über ein Stellgestänge 10 mit Verschraubung 9 axial verschiebbaren Steuerkörpers 4 führt, der einen nach vorn geöffneten Drallraum 6 mit darin tangential endenden Drallschlitzen 7 besitzt und mittels seinem äußeren, konisch verjüngtem Vorderteil zusammen mit der Brennerdüse 3 eine Ringspaltdüse 5 bildet und gegen Verklemmen mit einer zusätzlichen Führung 11 ausgestattet ist. Die Verschraubung 9 sitzt auf einer etwa in der Mitte des Steuerkörpers 4 befindlichen Trennwand 12 zwischen dem vorderen Drallraum 6 und der Führung 11.Figure 1 shows the controllable gas burner for rotary kilns consisting of an outer burner tube 1, a preferably in two stages conically tapered burner nozzle 3, in front of a control tube 2 ends, preferably over 2x4 pcs. Distance plates 8 concentric and fixed in the burner tube 1 is arranged and tightly closed via an adjusting rod 10 with screw 9 axially displaceable control body 4 leads, which has a forwardly open swirl chamber 6 with tangentially ending swirl slots 7 and by means of its outer, conically tapered front together with the burner nozzle 3 forms an annular gap nozzle 5 and is equipped against jamming with an additional guide 11. The screw 9 is seated on a located approximately in the middle of the control body 4 partition 12 between the front swirl chamber 6 and the guide eleventh

The inflow of the fuel gas into the swirl chamber 6 can only due to the shut-off partition 12 via the swirl slots. 7

erfolgen, die dazu aus dem Steuerrohr 2 herausragen müssen.take place, which must protrude from the head tube 2.

The control tube 2 must have approximately the length of the control body 4. The adjusting linkage 10 is controlled by an adjusting device

bekannter Ausführung bewegt, die auch das Brennerrohr nach hinten abdichtet. Die Gaszuführunc erfolgt über ein seitlichesmoves known version, which also seals the burner tube to the rear. The Gaszuführunc via a lateral

Gas supply pipe. Figure 2 shows the control body 4 in its rearmost position in which the burner nozzle 3 is fully open and the longest Flame is reached. Due to the rear-tight design of the control body 4, the fuel gas must be the head tube

immer außen umströmen.always flow around the outside.

FIG. 3 shows the control body 4 in the position where the maximum velocity of the fuel gas reaches in the annular gap nozzle 5

wird, die Drallschlitze 7 aber noch geschlossen sind.is the swirl slots 7 but still closed.

FIG. 4 shows the control body in the stop position in the burner nozzle 3. The hitherto existing annular gap nozzle 5 is

geschlossen, so daß alles Brenngas als Drallgas durch die Drallschlitze 7 in den Drallraum 6 strömen muß.closed, so that all fuel gas must flow as a swirl gas through the swirl slots 7 in the swirl chamber 6.

The burner develops in this position of the control body its widest, shortest and most intense flame. With positions of the control body between Fig. 3 and Fig. 4 can intensive flames with twisted core flow and a

führenden axialen Mantelströmung erzielt werden, die Ansatz und Futter nicht so stark belasten wie die reine Drallflamme.leading axial sheath flow are achieved, the approach and feed not as much burden as the pure swirl flame.

Claims

Controllable gas burner preferably for rotary kiln with axially displaceable in the burner tube control body, which forms with its externally conical · trained "front part together with the burner nozzle e'ne annular gap, in Ii rn has a forwardly open and closed at the rear by a partition swirl space in which the swirl slot located in the wall of the control body open tangentially, characterized in that the gas burner has a concentrically arranged in the burner tube (1) control tube (2) and therein the control body (4) is arranged such that the swirl slots (7) just completely in the control tube (2) are located when the annular gap nozzle (5) the free cross section for the maximum outflow velocity of the fuel gas and from this position of the control body (4) to its stop in the burner nozzle (3) the sum of the free cross-section of the annular nozzle (5) and the open surface of the swirls chlitze (7) remains constant.

For this

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