DE102009007915B4 - Verfahren zur Entsalzung von salzhaltigem Wasser - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Entsalzen von salzhaltigem Wasser unter Ausnutzung konzentrierter Solarenergie mit folgenden Schritten: – Einfangen von Solarenergie mit optischen Konzentratoren und Übertragen auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf (25), der eine einen Generator (35) treibende Wärmemaschine (28) enthält, – Zuführen eines ersten Teilstroms (41) von salzhaltigem Wasser zu einer thermischen Destilliereinrichtung (43), die mit Restdampf der Wärmemaschine (28) beheizt wird, zum Destillieren des Wassers und Ableiten des Salzes in Form von Sole, – Zuführen eines zweiten Teilstroms (42) von salzhaltigem Wasser zu einer Umkehrosmoseeinrichtung (44), die mit Strom des Generators (35) gespeist wird, zum Trennen des Salzhaltigen Wassers in Wasser mit niedriger Salzkonzentration und Sole.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung von salzhaltigem Wasser unter Ausnutzung konzentrierter Solarenergie sowie ferner eine Meerwasser-Entsalzungsanlage.
- Entsalzungsanlagen dienen überwiegend dazu, Meerwasser, welches einen hohen Salzgehalt hat, zu entsalzen, um Trinkwasser zu erzeugen. Üblich sind thermisch betriebene Entsalzungsanlagen, die eine Destilliereinrichtung enthalten, mit der das salzhaltige Wasser verdampft wird. Solche Destillieranlagen haben einen hohen Energieverbrauch, sind aber für große Entsalzungskapazitäten zur Versorgung der Bevölkerung mit Wasser geeignet.
- Bekannt sind auch Umkehrosmosesysteme, die auch als RO-Systeme (Reverse Osmosis) bezeichnet werden. Solche Systeme enthalten eine semipermeable Membran, die zwei Kammern voneinander trennt. Das stark salzhaltige Wasser (z. B. Meerwasser) wird mit hohem Druck durch die semipermeable Membran gedrückt. Das Permeat ist nur noch leicht salzhaltig bis trinkbar. Das Retentat besteht aus konzentriertem Meerwasser.
- Der Energieverbrauch hängt sehr stark vom Salzgehalt ab (hoher Salzgehalt = hoher zu überwindender osmotischer Druck).
- Verschiedene Studien befassen sich mit Solarentsalzungssystemen, bei denen die Energie für die Wasserentsalzung als Solarenergie gewonnen wird. Derartige Systeme werden mit CSPD (Concentrating Solar Power & Desalination Plant) bezeichnet oder als CSD (Concentrating Solar Desalination Plant).
- In
US 2008/0156731 A1 - In
DE 101 51 904 A1 ist ein Verfahren zur Stromerzeugung beschrieben, bei dem Wärmegewinnung mit Solarabsorbern oder Solarkollektoren erfolgt. Die Solarenergie dient zum Betrieb einer Entsalzungsanlage. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entsalzung von salzhaltigem Wasser anzugeben, das mit hoher Effizienz durchführbar ist und ganz, oder jedenfalls zu einem hohen Anteil, mit kostenloser Solarenergie arbeitet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer entsprechenden Meerwasser-Entsalzungsanlage.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Patentanspruch 1 definiert und eine Meerwasser-Entsalzungsanlage nach der Erfindung ist durch den Patentanspruch 5 definiert.
- Erfindungsgemäß werden in einer solarbetriebenen Entsalzungsanlage ein thermisches Entsalzungssystem und ein Umkehrosmosesystem (RO-System) miteinander kombiniert. Die als thermische Energie gewonnene Solarenergie wird für den Betrieb einer Wärmemaschine, typischerweise einer Dampfturbine, benutzt. Die Dampfturbine liefert einerseits mechanische Energie für die Rotation eines Generators, welcher Strom erzeugt, und andererseits liefert sie Restdampf.
- Erfindungsgemäß wird mit der mechanischen bzw. elektrischen Energie, die von der Wärmemaschine geliefert wird, eine Umkehrosmoseeinrichtung betrieben und der Restdampf der Wärmemaschine wird für den Betrieb einer Destillationseinrichtung benutzt. Auf diese Weise entsteht ein Hybridsystem, bei dem die Wärmemaschine die Energie für zwei unterschiedliche Entsalzungsarten liefert und hierfür einerseits Strom bzw. Druck zur Verfügung stellt und andererseits Dampf oder Wärme. Der Wirkungsgrad der Wärmemaschine begrenzt nicht die Wasserproduktionskapazität, weil die der Wärmemaschine zugeführte Energie nahezu vollständig ausgenutzt wird. Daher kann eine Wärmemaschine benutzt werden, die billig und haltbar ist.
- Bei der thermischen Entsalzung entsteht destilliertes Wasser und bei der Entsalzung durch Umkehrosmose entsteht schwach salzhaltiges Wasser. Durch Mischung der beiden Teilströme kann der Salzgehalt bzw. Mineralgehalt auf denjenigen von Trinkwasser gebracht werden. Da in dem thermischen System salzfreies Wasser erzeugt wird, kann in dem Umkehrosmosesystem Wasser mit einem höheren Salzgehalt erzeugt werden, beispielsweise von über 500 ppm. Daher kann das Umkehrosmosesystem mit High-Flux-Membranen ausgestattet sein und bei hohen Wassertemperaturen und mit geringem Energieverbrauch arbeiten.
- Vorzugsweise erfolgt das Einfangen der Solarenergie mit Hilfe der konzentrierenden Solarenergietechnologie (CSP) mit Parabolrinnen. Dabei werden spiegelnde Parabolrinnen benutzt, in deren Fokallinie ein Absorberrohr angeordnet ist, das von einem Wärmeträgermedium durchflossen wird, typischerweise Öl oder Wasser. Das Wärmeträgermedium transportiert die Wärme zu einem Wasser-Dampf-Kreislauf, der eine Wärmemaschine antreibt. Es besteht auch die Möglichkeit, als Wärmeträgermedium Wasser zu verwenden, das bereits im Absorberrohr verdampft wird, und mit dem Dampf eine Wärmemaschine zu betreiben. Bei Wärmeträgermedium Wasser spricht man von Direktverdampfungstechnologie (DSG: Direct Steam Generation).
- Es besteht die Möglichkeit, den Wasser-Dampf-Kreislauf der Wärmemaschine mit einer Hilfswärmequelle zu verbinden, die mit fossilem Brennstoff betrieben werden kann. Damit wird sichergestellt, dass auch bei unzureichender Solarstrahlung die erforderliche Energiekapazität zur Verfügung steht.
- Für die Meerwasserentsalzung werden thermische Prozesse eingesetzt, die auf dem Prinzip der Verdampfung und der Kondensation beruhen. Dabei entsteht destilliertes Wasser, das von sämtlichen gelösten Inhaltsstoffen befreit ist und das in dieser Form nicht trinkbar ist. Durch Vermischen des destillierten Wassers mit dem teilweise entsalzenen Wasser, das die Umkehrosmoseeinrichtung verlässt, entsteht Trinkwasser mit einem Salzgehalt, der durch Regelung des Mischungsverhältnisses bestimmt und kontrolliert werden kann.
- Die Erfindung wird bevorzugt angewandt für große Trinkwasseraufbereitungsanlagen mit einer Trinkwasserkapazität von mehr als 1000 m3/Tag, insbesondere bei der Entsalzung von Meer- und Brackwasser. Die Erfindung ist jedoch auch für landwirtschaftliche Zwecke, bei der ein höherer Salzgehalt erlaubt ist oder für industrielle Zwecke anwendbar.
- Das Destillieren des Wassers erfolgt vorzugsweise als Multi-Effekt-Destillation in kaskadenartig verbundenen Behältern, wobei der in einem Behälter beim Destillieren entstehende Dampf als Wärmequelle für die Destillation in dem nächstfolgenden Behälter benutzt wird. Dies ermöglicht eine gute Ausnutzung der verfügbaren Wärme und somit eine hohe Ausbeute bei der Destillation.
- Für ein kosteneffektives Umkehrosmoseentsalzungssystem (RO-System) ist es wesentlich, dass die Wellenleistung der Wärmemaschine mit hohem Wirkungsgrad erzeugt wird. Es kann ein Hochtemperatur-Wärmespeicher verwendet werden, um den Teillastbetrieb des Energieumwandlers zu verringern und elektrische Energie während der Nacht zu erzeugen. Ein solches System könnte als eigenständiges Solarstrom- oder Wassererzeugungssystem oder aber als System zum gleichzeitigen Erzeugen von Elektrizität und Wasser arbeiten. Die Ausbildung mit doppelter Verwendungsmöglichkeit erlaubt eine erhebliche Senkung der allgemeinen Kosten für die Erzeugung von Elektrizität und Wasser. Andererseits hat die unmittelbare Produktion von Süßwasser mittels eines integrierten Solar-Wasser-Systems Vorteile. Zusätzlich zu den sich bietenden Möglichkeiten der Optimierung des integrierten Systems (als ein Komplex) kann Süßwasser viel leichter gespeichert werden als Elektrizität (oder Wärme). Das schwierige Problem der Energiespeicherung wird somit im Falle der solarbetriebenen Wasserproduktion auf einfache Weise gelöst. Die über den Tag und aufgrund von Wetteränderungen unstete Versorgung mit Sonnenstrahlung kann somit auf eine kosteneffektivere Weise gehandhabt werden. Ferner ist es möglich, ein Hybrid-Entsalzungssystem zu entwickeln, bei welchem das Umkehrosmosesystem die erzeugte mechanische Energie verwendet, während das thermische Destilliersystem die verbleibende Abwärme nutzt, so dass sie zusammen Wasser mit einem höheren Gesamtwirkungsgrad produzieren. Dies kann insbesondere bei Entsalzungssystemen mittlerer Größe (die in kleinen Gemeinwesen installiert werden sollen) vorteilhaft sein, für welche noch keine hocheffizienten Dampfturbinen zur Verfügung stehen. Zusammenfassend gesagt stellt die Produktion von Süßwasser mittels eines integrierten Solar-Wasser-Systems eine vielversprechende Technologie dar.
- Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Entsalzungsanlage nach der vorliegenden Erfindung, -
2 eine schematische Abbildung einer Entsalzungsanlage mit zusätzlichem Wärmespeicher, -
3 ein detaillierteres Schaubild einer Entsalzungsanlage und -
4 die Umkehrosmoseeinheit. -
1 zeigt den Grundaufbau eines CSPD-Systems (Concentrating Solar Power & Desallination) zur Erzeugung von Trinkwasser. Die Solarenergie wird mit linear konzentrierenden Solarkollektoren10 eingefangen, insbesondere mit Parabolrinnenkollektoren. Parallel hierzu sind Wärmespeicher11 vorgesehen, in die Überschüssige Wärme, die tagsüber nicht benötigt wird, eingespeichert werden kann, um sie im Bedarfsfall, zum Beispiel im Nachtbetrieb, zu verarbeiten. - Mit der Wärme der Solarkollektoren
10 wird eine Wärmemaschine12 betrieben. Hierbei handelt es sich um eine Turbine, insbesondere eine Dampfturbine, die einen Generator zur Erzeugung von Elektrizität treibt. Mit dem erzeugten Strom wird eine Umkehrosmoseanlage13 betrieben. Die Restwärme der Wärmemaschine12 wird zum Betrieb einer thermischen Entsalzungsanlage oder Destillieranlage14 eingesetzt. Sowohl die Destillieranlage14 als auch die Umkehrosmoseanlage13 erzeugen salzfreies bzw. salzarmes Wasser. Die beiden Wasserströme können anschließend zusammengeführt oder nach Bedarf gemischt werden. - Das Ausführungsbeispiel von
2 ist grundsätzlich gleich dem ersten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich ist vorgesehen, dass Wärme aus dem Wärmespeicher11 oder dem Ölkreislauf der Kollektoranlage unmittelbar der thermischen Entsalzungsanlage14 zugeführt wird. Bei jedem der Ausführungsbeispiele der1 und2 kann ein Teil der von der Wärmemaschine12 erzeugten Elektrizität abgezweigt und beispielsweise in ein Stromnetz eingespeist werden. -
3 zeigt ein detaillierteres Schaubild der Entsalzungsanlage von1 . Als Energiequelle dient eine Solarenergie-Kollektoranlage20 , die reflektierende Parabolrinnenspiegel21 aufweist, welche jeweils in einer Linie angeordnet sind. Die Kollektoren, die jeweils aus dem Parabolrinnenspiegel21 und dem Absorberrohr22 bestehen, können dem Sonnenstand nachgeführt werden. Die Parabolrinnenkollektoren21 fokussieren das einfallende Sonnenlicht auf Absorberrohre22 , die entlang der Fokallinie verlaufen. Die Absorberrohre werden von einem Wärmeträgermedium durchflossen, wie Öl oder Wasser. Das Wärmeträgermedium wird in einem Kreislauf23 geführt, der eine Gruppe von Wärmetauschern24 enthält. Die Primarseiten der Wärmetauscher24 sind in Reihe in dem Kreislauf enthalten. Dieser enthält ferner eine Pumpe26 zum Umwälzen des Wärmeübertragungsmediums in dem Kreislauf, sowie einen Ausdehnungsbehälter27 . Die Sekundärseiten der Wärmetauscher24 sind ebenfalls in Reihe geschaltet und in einem Wasser-Dampf-Kreislauf25 enthalten. Dieser Kreislauf enthält ferner den Hochdruckteil28a einer Wärmemaschine28 , bei der es sich um eine Dampfturbine handelt, sowie den Niederdruckteil28b , einen Wärmetauscher30 und eine Pumpe31 . - Der Auslass des Hochdruckteils
28a ist über einen weiteren Wärmetauscher24a , der in einer Bypassleitung32 des Kreislaufs23 enthalten ist, mit dem Einlass des Niederdruckteils28b verbunden. - An den Wasser-Dampf-Kreislauf ist als mögliche weitere Energiequelle ein Kessel
33 für fossile Brennstoffe angeschlossen. Dieser kann zur Unterstützung der Dampferzeugung hinzugenommen werden. Er ist mit einer Brennstoffleitung34 verbunden. - Die Wärmemaschine
28 treibt einen Generator35 zur Stromerzeugung. Dieser liefert Strom an eine noch zu erläuternde Hochdruckpumpe37 und an externe Verbraucher36 (optional). Der Generator35 versorgt nicht nur die Hochdruckpumpe37 sondern auch alle anderen Pumpen und Einrichtungen der Wasserentsalzungsanlage mit Strom. - Das Salzwasser
40 wird in zwei Teilströme41 ,42 aufgeteilt. Ein erster Teilstrom41 wird einer Destilliereinrichtung43 zugeführt. Ein zweiter Teilstrom42 wird einer Umkehrosmoseeinrichtung44 zugeführt. Die Destilliereinrichtung43 weist mehrere Behälter46 ,47 ,48 auf, die jeweils im oberen Bereich eine Sprüheinrichtung49 enthalten, durch welche das Salzwasser im Behälter versprüht wird. Das Salzwasser sammelt sich im unteren Behälterteil. Ferner enthält jeder Behälter eine Heizschlange50 zum Einbringen von Wärme zum Zwecke der Verdampfung des herabrieselnden Wassers. Die Heizschlange30 des ersten Behälters46 wird mit dem Restdampf der Wärmemaschine28 versorgt. Die Heizschlangen50 der beiden folgenden Behälter werden jeweils mit dem Dampf versorgt, der in dem vorgeordneten Behälter entstanden ist. Eine solche kaskadenartige Destillation wird als Multi-Effect-Destillation (MED) bezeichnet. Eine MED-Anlage besteht aus mehreren (1 bis n) Stufen. Die Stufenzahl variiert je nach Auslegung der MED-Anlagen. Die Stufen werden im englischen auch als Effekt bezeichnet. Eine Standard-MED-Anlage hat meist acht (oder sogar mehr) Stufen. - Die Behälter
46 ,47 ,48 sind vakuumdicht. Sie sind an eine Vakuumpumpe52 angeschlossen, so dass in ihnen ein Druck erzeugt wird, der niedriger ist als der Atmosphärendruck. Daher findet eine Verdampfung des herabrieselnden Wassers bereits bei niedrigeren Temperaturen als 100°C statt. So beträgt beispielsweise die Temperatur im Behälter46 100°C, im Behälter47 90°C und im Behälter48 80°C. Vom letzten Behälter48 wird der Dampf zu einem Wärmetauscher55 geführt, wo er Wärme an den ersten Teilstrom41 abgibt, um diesen vorzuwärmen. Das Kondensat besteht aus dem Kondenswasser, das in allen drei Behältern erzeugt worden ist. Es wird als destilliertes salzfreies Wasser einer Leitung56 zugeführt. Dieses Wasser ist nicht trinkbar. - Am unteren Ende eines jeden Behälters
46 ,47 ,48 befindet sich ein Auslass für die Sole, die sich auf dem Behälterboden sammelt. Diese Auslässe sind mit einer Soleleitung57 zum Abführen der Sole verbunden. - Die Destilliereinrichtung
43 bildet den einen Teil der Hybrid-Entsalzungsanlage. Der andere Teil wird von der Umkehrosmoseeinrichtung44 gebildet, welcher der zweite Teilstrom42 zugeführt wird. Die Umkehrosmoseeinrichtung44 enthält eine Förderpumpe60 , eine Hochdruckpumpe37 und ein Osmosemodul61 . - Das Osmosemodul enthält gemäß
4 zwei Kammern61a und61b . Beide Kammern sind durch eine semipermeable Membran62 voneinander getrennt. Die Hochdruckpumpe37 fördert salzhaltiges Wasser in die erste Kammer61a . Wenn in der ersten Kammer61a die Salzkonzentration höher ist als in der zweiten Kammer61b , entsteht ein osmotischer Druck63 , der bestrebt ist, das Wasser durch die Membran62 in die erste Kammer zu treiben. Dem wirkt ein hydrostatischer Druck64 entgegen, welcher durch die Hochdruckpumpe37 erzeugt wird. Dieser Druck bewirkt, dass Wasser in die zweite Kammer61b fließt. Gleichzeitig erhöht sich die Salzkonzentration in der ersten Kammer61a . Der Auslass65 der ersten Kammer61a ist mit der Soleleitung57 verbunden. Der Auslass66 der zweiten Kammer61b ist mit einer Mischeinrichtung67 verbunden, die das Wasser mit geringer Salzkonzentration mit dem von Leitung56 kommenden salzfreien Wasser mischt. Die Mischung erfolgt in einem kontrollierten Mengenverhältnis, so dass am Ausgang der Mischvorrichtung67 trinkbares Süßwasser entsteht. - Die Umkehrosmoseeinrichtung enthält außerdem einen mit dem Auslass
66 verbundenen Permeatspeicher68 , der über eine Pumpe69 mit einem Einlass70 der zweiten Kammer61b verbunden ist. Der Permeatspeicher dient der zyklischen Rückspülung der Membran zur Reinigung und gegen Belagbildung. Dies ist notwendig zum Schutz der Membran gegen Belagbildung. Der MED-Anlage vorgeordnet ist eine chemisch-mechanische Vorbehandlung. Eine gemeinsame Vorbehandlung kann vor der Aufteilung in die beiden Teilströme41 und42 erfolgen. Dies bewirkt einen weiteren Synergieeffekt. - Die Solarenergie-Kollektoranlage
20 enthält ferner einen Wärmespeicher80 mit einem warmen Tank81 und einem kalten Tank82 . Beide Tanks enthalten ein Wärmespeichermedium, z. B. flüssiges Salz. Der warme Tank hat eine Temperatur > 350° und der kalte Tank eine Temperatur < 300°. Die Tanks sind durch einen Wärmetauscher83 an den Kreislauf23 angeschlossen und sie enthalten Pumpen84 ,85 für die Wahl der Fließrichtung des Salzes, wobei entsprechende Ventile vorgesehen sind. Entsprechend dem Wärmebedarf der an den Kreislauf23 angeschlossen Verbraucher und dem Wärmeangebot an Solarstrahlung kann überschüssige Wärme in den Wärmespeicher81 eingegeben werden oder fehlende Wärme aus dem Wärmespeicher entnommen werden. - Die Entsalzungsanlage erzeugt mit der Wärmemaschine
28 und dem Generator35 Strom und sie produziert in den beiden Teilströmen41 und42 Wasser. Das Verhältnis zwischen der Stromerzeugungskapazität und der Wasserproduktionskapazität kann entsprechend dem jeweiligen standortabhängigen Wasserbedarf oder entsprechend dem jeweiligen Strombedarf verändert werden.
Claims (10)
- Verfahren zum Entsalzen von salzhaltigem Wasser unter Ausnutzung konzentrierter Solarenergie mit folgenden Schritten: – Einfangen von Solarenergie mit optischen Konzentratoren und Übertragen auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf (
25 ), der eine einen Generator (35 ) treibende Wärmemaschine (28 ) enthält, – Zuführen eines ersten Teilstroms (41 ) von salzhaltigem Wasser zu einer thermischen Destilliereinrichtung (43 ), die mit Restdampf der Wärmemaschine (28 ) beheizt wird, zum Destillieren des Wassers und Ableiten des Salzes in Form von Sole, – Zuführen eines zweiten Teilstroms (42 ) von salzhaltigem Wasser zu einer Umkehrosmoseeinrichtung (44 ), die mit Strom des Generators (35 ) gespeist wird, zum Trennen des Salzhaltigen Wassers in Wasser mit niedriger Salzkonzentration und Sole. - Verfahren nach Anspruch 1 mit dem weiteren Schritt des Mischens des Wassers mit niedriger Salzkonzentration mit dem beim Destillieren gewonnenen salzfreien Destillat.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Destillieren als Multi-Effekt-Destillation in kaskadenartig verbundenen Behältern (
46 ,47 ,48 ) erfolgt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei das Einfangen von Solarenergie mit Parabolrinnenkollektoren (
21 ) oder Fresnelkollektoren erfolgt. - Wasserentsalzungsanlage mit – einer Solarenergie-Kollektoranlage (
20 ), in der ein Wärmeträgermedium zirkuliert, – einer Wärmetauschereinrichtung (24 ) zum Übertragen von Wärme von dem Wärmeträgermedium auf einen Wasser-Dampf-Kreislauf (25 ), der eine Wärmemaschine (28 ) zum Antreiben eines stromerzeugenden Generators (35 ) enthält, – einer thermischen Destilliereinrichtung (43 ) zum Destillieren eines ersten Teilstroms (41 ) salzhaltigen Wassers, welcher der Restdampf der Wärmemaschine (28 ) zum Heizen zugeführt wird, und – einer Umkehrosmoseeinrichtung (44 ), die mit Strom des Generators (35 ) gespeist wird, zum Teil-Entsalzen eines zweiten Teilstroms (42 ) salzhaltigen Wassers zum Erzeugen von schwach salzhaltigem Wasser. - Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischvorrichtung (
67 ) zum Mischen des entsalzten ersten Teilstroms und des teilentsalzten zweiten Teilstroms vorgesehen ist. - Wasserentsalzungsanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarenergie-Kollektoranlage (
20 ) mit einem Wärmespeicher (80 ) gekoppelt ist. - Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampfkreislauf mit einer Hilfswärmequelle (
33 ) verbunden ist. - Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 5–8, wobei die Destilliereinrichtung (
43 ) eine Multi-Effekt-Einrichtung ist, mit mehreren kaskadenartig verbundenen Behältern (46 ,47 ,48 ) denen jeweils salzhaltiges Wasser zugeführt wird. - Wasserentsalzungsanlage nach einem der Ansprüche 5–9, wobei die Solarenergie-Kollektoranlage (
20 ) Parabolrinnenkollektoren (21 ) oder Fresnelkollektoren aufweist.
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