DE3816599C1 - Process for eliminating arsenic compounds from exhaust gases - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Arsenverbindungen aus Abgasen.The invention relates to a method for the removal of arsenic compounds from exhaust gases.
Emissionen von Arsenverbindungen treten bei der Verhüttung vieler Erze und im Rauchgas von Kohlekraftwerken auf. Es ist bekannt, daß eine Entfernung von Arsenoxid aus einem bei der Erzverhüttung anfallenden Abgas durch Adsorption an verschiedenen Materialien, besonders vorteilhaft an Aktivkohle, möglich ist. Die Adsorption findet typischerweise bei 200°C statt (Environmental Science & Technologie, Vol. 13, No. 1, Jan. 1987, S. 93-97). Lediglich für Aktivkohle als Sorbens wird auch die Regenration durch Ausheizen im Stickstoffstrom bei 400°C beschrieben.Emissions of arsenic compounds occur in the smelting of many ores and in the flue gas of coal power plants. It is known that a Removal of arsenic oxide from an ore resulting from ore smelting Exhaust gas by adsorption on different materials, particularly advantageous on activated carbon, is possible. The adsorption typically takes place at 200 ° C (Environmental Science & Technology, Vol. 13, No. 1, Jan. 1987, p. 93-97). Only for activated carbon as a sorbent is also the regeneration by heating in nitrogen flow at 400 ° C described.
Allerdings ist dieses Verfahren zur Arsenentfernung nur in einem schmalen Temperaturbereich anzuwenden, da zwischen 200 und 400°C die Desorption zu überwiegen beginnt. Dieses bedeutet, daß Aktivkohle als Sorbens zur Arsenentfernung aus heißen Abgasen, wie z. B. aus heißen Rauchgasen aus Kohlekraftwerken, nicht eingesetzt werden kann.However, this method of arsenic removal is only in one narrow temperature range, since between 200 and 400 ° C the Desorption begins to predominate. This means activated carbon as Sorbent arsenic removal from hot exhaust gases, such. B. from hot Flue gases from coal power plants, can not be used.
Im weiteren ist es bei der Verwendung von Aktivkohle als Sorbens noch notwendig, zur thermischen Regeneration derselben aufgrund ihrer leichten Entzündlichkeit kostspieligen Stickstoff als Spülgas zu benutzen. Außerdem müssen hierbei die hohen Energiekosten zum Aufheizen für die Regeneration sowie die lange Regenerationszeit - typisch sind 24 Stunden - in Kauf genommen werden, und man ist zudem gezwungen, das Arsenoxid aus dem Spülgas abzuscheiden.Furthermore, it is still in the use of activated carbon as a sorbent necessary for the thermal regeneration of the same due to their easy flammability to use expensive nitrogen as purge gas. In addition, the high energy costs have to heat up for the regeneration as well as the long regeneration time - are typical 24 hours - and you are forced to do that To deposit arsenic oxide from the purge gas.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entfernung von Arsenverbindungen aus Abgasen zu entwickeln, das über einen weiten Temperaturbereich, insbesondere über 200°C, anzuwenden ist. The invention is therefore based on the object, a method for removal to develop from arsenic compounds from exhaust gases that over a wide temperature range, in particular over 200 ° C, apply is.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß Arsenoxid an einem Sorbens auf Basis von oberflächenreichem Titandioxid sorbiert wird, und zwar auch bei Abgastemperaturen von über 200°C.It has now surprisingly been found that arsenic oxide on a Sorbent is sorbed on the basis of high-surface titanium dioxide, and even at exhaust gas temperatures of over 200 ° C.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Entfernung von Arsenverbindungen aus Abgasen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das arsenhaltige Abgas über ein Sorbens auf Basis von oberflächenreichem Titandioxid geleitet wird, wobei im Falle nichtoxidischer Arsenverbindungen dem Sorbens eine Abgasnachverbrennung vorgeschaltet wird.The subject of the present invention is therefore a method for removal of arsenic compounds from exhaust gases, characterized is that the arsenic-containing exhaust gas via a sorbent based on surface-rich Titanium dioxide is passed, in the case of non-oxidic Arsenic compounds preceded by the Sorbent Abgasnachverbrennung becomes.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gleichermaßen für den schon bekannten Einsatzbereich mit Abgastemperaturen von unter 200°C wie auch für den Einsatz bei heißeren Abgasen mit Temperaturen von über 200°C, d. h. im letzteren Fall wird das Abgas mit einer Temperatur von über 200°C über das Sorbens geleitet. Beispielsweise betragen die Temperaturen von Abgasen aus Kraftwerken vor dem Elektrofilter ca. 300 bis 450°C. Für diesen Bereich höherer Abgastemperaturen von über 200°C existierte bisher noch kein technisch brauchbares Verfahren.The inventive method is equally suitable for the already known application area with exhaust gas temperatures of less than 200 ° C as Also for use with hotter exhaust gases with temperatures of over 200 ° C, d. H. in the latter case, the exhaust gas is at a temperature passed over the sorbent at over 200 ° C. For example, the amount Temperatures of exhaust gases from power plants in front of the electrostatic precipitator approx. 300 up to 450 ° C. For this range of higher exhaust gas temperatures of over 200 ° C has not existed any technically useful process.
Vorzugsweise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Entfernung von Arsenoxiden aus Abgasen, aber auch allgemein zur Entfernung nichtoxidischer Arsenverbindungen ist es anwendbar, indem man dem Sorbens eine Abgasnachverbrennung vorschaltet, in welcher die Arsenverbindungen in Oxide umgewandelt werden.The method according to the invention is preferably suitable for removal Of arsenic oxides from exhaust gases, but also generally for the removal of non-oxidic Arsenic compounds, it is applicable by adding the sorbent an exhaust gas afterburning upstream, in which the arsenic compounds be converted into oxides.
Als Sorbens verwendbar sind beispielsweise solche oberflächenreichen Titandioxidtypen, wie man sie in an sich bekannter Weise aus Ortho- oder Metatitansäure durch Trocknung oder durch Trocknung mit nachfolgendem Kalzinieren herstellt. Auch pyrogen hergestelltes Titandioxid ist geeignet. Solche oberflächenreichen Titandioxidtypen bestehen zum größten Teil, vorzugsweise praktisch vollständig, aus Anatas. Vorzugsweise geht man von einer Metatitansäure-Suspension aus, wie sie beim Sulfatverfahren der Titandioxid-Herstellung als Zwischenprodukt anfällt. Suitable sorbents are, for example, those surface-rich Titanium dioxide types, as they are made in known manner from Ortho- or metatitanic acid by drying or by drying with the following Calcining produces. Also pyrogenic titanium dioxide is suitable. Such surface rich titanium dioxide types exist for most, preferably practically complete, of Anatas. Preferably one starts from a metatitanic acid suspension, as in the Sulfate process of titanium dioxide production is obtained as an intermediate.
Dieses Ausgangsmaterial enthält noch 6 bis 10 Gew.-% Schwefelsäure, bezogen auf Titandioxid, die entweder im Material verbleibt oder durch basische Wäsche teilweise oder auch weitestgehend entfernt oder durch Zugabe eines Bariumsalzes in das schwerlösliche BaSO₄ überführt wird.This starting material still contains 6 to 10 wt .-% sulfuric acid, based on titanium dioxide, either remaining in the material or by basic laundry partially or largely removed or by Addition of a barium salt in the sparingly soluble BaSO₄ is transferred.
Die Metatitansäure wird, ggf. nach Filtration, getrocknet, vorzugsweise im Temperaturbereich von 100 bis 200°C; die Trocknung kann ohne Einschränkung auf ein bestimmtes Verfahren, beispielsweise auf Horden, im Schaufeltrockner, im Drehrohr oder mittels Sprühtrockner erfolgen. Eine anschließende Kalzinierung wird bei 300 bis 800°C, vorzugsweise bei 400 bis 600°C, beispielsweise auf Horden, im Wirbelbett oder im Drehrohr durchgeführt. Die Dauer der Kalzinierung beträgt typischerweise zwischen 0,5 und 12 Stunden, im Vorzugsbereich der Temperatur zwischen 2 und 8 Stunden. Trocknung und Kalzinierung können auch in einem Arbeitsgang zusammengefaßt werden.The metatitanic acid is dried, if appropriate after filtration, preferably in the temperature range of 100 to 200 ° C; the drying can without Limitation to a particular process, such as hordes, in the paddle dryer, in the rotary tube or by means of a spray dryer. Subsequent calcination is at 300 to 800 ° C, preferably at 400 to 600 ° C, for example on trays, in a fluidized bed or in Rotary tube performed. The duration of calcination is typically between 0.5 and 12 hours, in the preferred range of temperature between 2 and 8 hours. Drying and calcination can also be done in be summarized in one operation.
Weiterhin kann das Sorbens beispielsweise zusätzlich Zirkenoxid und/oder Ton und/oder Kieselsäure und/oder Alumosilikate und/oder Aluminiumoxid enthalten. Aluminiumoxid als Zusatz wird vorzugsweise in Abwesenheit stark saurer Gasbestandteile verwendet.Furthermore, the sorbent, for example, additionally Zirkenoxid and / or clay and / or silica and / or aluminosilicates and / or Containing alumina. Alumina as an additive is preferably used in Absence strongly acidic gas components used.
Solche Sorbentien können durch gemeinsame Fällung geeigneter Vorstufen, z. B. Sulfate, Oxisulfate, Chloride, Alkoxide oder Gele, mit nachfolgender thermischer Behandlung hergestellt werden, wie es beispielsweise die DE-OS 34 38 367 beschreibt.Such sorbents can be obtained by co-precipitation of suitable precursors, z. As sulfates, oxysulfates, chlorides, alkoxides or gels, with subsequent thermal treatment can be made, as for example DE-OS 34 38 367 describes.
Vor oder nach dem Kalzinieren des Rohmaterials für das Sorbens kann eine Zugabe von oder eine Behandlung mit einer Säure, z. B. Salpeter-, Schwefel-, Essig- oder Oxalsäure, erfolgen, um Härte und Zusammenhalt des Materials zu verbessern. Im allgemeinen ist es erforderlich, das kalzinierte Material vor der Weiterverarbeitung aufzumahlen.Before or after calcining the raw material for the sorbent can an addition of or treatment with an acid, e.g. Saltpeter, Sulfuric, acetic or oxalic acid, carried to hardness and cohesion to improve the material. In general, it is necessary that calcine calcined material before further processing.
Das Sorbens kann in Pulverform eingesetzt werden. Vorzugsweise wird es zu Tabletten, Strangpreßlingen, Formkörpern, wie beispielsweise Ringen oder Sattelkörpern, ausgeformt, oder es wird zu Wabenkörpern extrudiert. Dazu ist es notwendig, Verarbeitungshilfsmittel bzw. Plastifizierhilfsmittel, wie Wasser, höhere Alkohole, Methylcellulose, Polyalkylenoxide, Öle u. a. m. zuzusetzen. Anteile von hitzebeständigen Fasern aus z. B. Glas, Keramik, Asbest, Aramid und/oder Zusätze von Ton, Kieselsol und/oder Metatitansäuresol verbessern die mechanische Festigkeit des Endproduktes.The sorbent can be used in powder form. Preferably it will to tablets, extrudates, moldings, such as rings or saddles, molded, or it is extruded into honeycomb bodies. For this purpose, it is necessary to use processing aids or plasticizing auxiliaries, such as water, higher alcohols, methylcellulose, Polyalkylene oxides, oils and the like a. m. add. Shares of heat resistant Fibers of z. As glass, ceramic, asbestos, aramid and / or additives of clay, silica sol and / or metatitanic acid improve the mechanical Strength of the final product.
Die ausgeformten Körper werden wiederum bei Raumtemperatur bis ca. 200°C getrocknet und bei Temperaturen von 300 bis 650°C kalziniert. Alternativ kann das Sorbens auch auf Träger wie Metall- oder Keramikkugeln oder andere Formkörper, Keramikwaben oder Metallplatten aufgebracht werden.The molded bodies are in turn at room temperature to about Dried 200 ° C and calcined at temperatures of 300 to 650 ° C. Alternatively, the sorbent can also be on supports such as metal or ceramic balls or other shaped bodies, ceramic honeycomb or metal plates applied become.
Das Sorbens kann auch zusätzlich Übergangsmetalloxide enthalten, z. B. solche wie sie in Katalysatoren für die Stickoxidminderung nach dem SCR (selective catalytic reduction)-Verfahren vorhanden sind.The sorbent may additionally contain transition metal oxides, e.g. B. such as those in catalysts for nitrogen oxide reduction after the SCR (selective catalytic reduction) methods are present.
Beispielhaft seien hier als zusätzliche Übergangsmetalloxide die Oxide des Vanadiums und/oder Molybdäns und/oder Wolframs genannt.By way of example, the oxides are here as additional transition metal oxides of vanadium and / or molybdenum and / or tungsten.
Die obigen Herstellungsmerkmale für das erfindungsgemäß eingesetzte Sorbens auf Basis von oberflächenreichem Titandioxid sind an sich von Verfahren zur Katalysatorherstellung her bekannt, z. B. durch die DE-PS 24 58 888, DE-PS 25 54 198, DE-PS 26 58 569 oder die DE-PS 29 27 246.The above manufacturing characteristics for the inventively used Sorbents based on surface-rich titanium dioxide are in themselves of Process for the preparation of catalysts known forth, for. B. by the DE-PS 24 58 888, DE-PS 25 54 198, DE-PS 26 58 569 or DE-PS 29 27 246.
Bei einer Arsenentfernung aus staubhaltigen Abgasen ist die Verwendung des Sorbens in Form von beschichteten Metallplatten oder -netzen oder beschichtetem Streckmetall oder in Form von extrudierten Wabenkörpern bevorzugt, da alle diese Formen den Staub weitgehend unbehindert passieren lassen. Außerdem bewirken sie nur einen geringen Druckabfall.When arsenic removal from dusty exhaust gases is the use of the sorbent in the form of coated metal plates or nets or coated expanded metal or in the form of extruded honeycomb bodies preferred, since all these forms pass the dust largely unhindered to let. In addition, they only cause a small pressure drop.
Durch geeignete Wahl der Herstellbedingungen läßt sich das Sorbens dem speziellen Einsatzzweck anpassen. So führen höhere Kalziniertemperaturen und -zeiten, Säurebehandlung oder die weiter oben genannten Festigkeitsverbesserer zu guter mechanischer Belastbarkeit bezüglich Druck- und Abriebfestigkeit des Sorbens. Verzichtet man auf die gerade erwähnten Maßnahmen, so erhält man dagegen ein weicheres, d. h. weniger mechanisch belastbares, aber oberflächenreicheres Sorbens mit größerem Arsenaufnahmevermögen. By a suitable choice of the manufacturing conditions, the sorbent can be customize special purpose. So lead higher calcination temperatures and times, acid treatment or those mentioned above Strength improvers for good mechanical strength regarding Pressure and abrasion resistance of the sorbent. If you renounce the straight On the other hand, a softer, d. H. fewer mechanically loadable, but more surface-rich sorbent with larger Arsenic absorption capacity.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Sorbens auf Basis von oberflächenreichem Titandioxid besitzt eine BET-Oberfläche von 40 bis 300 m³/g. Typische Werte für Pulver liegen bei 150 bis 300 m²/g, für aus unkalziniertem Pulver gepreßten und bei tiefer bis mittlerer Temperatur kalzinierten Formkörpern bei 100 bis 200 m²/g und für bei mittlerer bis hoher Temperatur kalzinierten Platten- und Wabenformen, die vorzugsweise aus vorkalziniertem Pulver hergestellt werden, bei 40 bis 150 m²/g, vorzugsweise bei 60 bis 120 m²/g.The inventively used sorbent based on surface-rich Titanium dioxide has a BET surface area of 40 to 300 m³ / g. typical Powder values range from 150 to 300 m² / g, uncalcined Powder pressed and calcined at low to medium temperature Moldings at 100 to 200 m² / g and for medium to high temperature calcined plate and honeycomb forms, preferably made from precalcined powder, at 40 to 150 m² / g, preferably at 60 to 120 m² / g.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich gleichermaßen im Temperaturbereich unter wie auch über 200°C anwenden, besitzt jedoch besondere Vorteile im Bereich über 200°C; wo die Sorbentien nach dem Stand der Technik nicht mehr einsetzbar sind. Die obere Temperaturgrenze wird bedingt durch die Neigung des Titandioxids, unter starker thermischer Belastung an BET-Oberfläche zu verlieren und schließlich die oberflächenarme Modifikation Rutil zu bilden. Diese Neigung hängt auch von der Einwirkungsdauer der Temperatur sowie von stabilisierenden Fremdkomponenten, wie z. B. Sulfaten oder von destabilisierenden, wie z. B. Vanadiumoxiden und Rutilspuren ab. Reines oder stabilisiertes Titandioxid verträgt Temperaturen bis 650°C, für einige Stunden auch bis 800°C. Übliche Einsatztemperaturen sind 200 bis 500°C.The inventive method can be equally in the temperature range but also above 200 ° C, but has special Advantages in the range above 200 ° C; where the sorbents according to the state of Technology can no longer be used. The upper temperature limit becomes due to the tendency of titanium dioxide, under strong thermal Stress on BET surface to lose and finally the surface poor Modification rutile form. This inclination also depends on the exposure time of the temperature and of stabilizing foreign components, such as As sulfates or destabilizing, such as. B. Vanadium oxides and rutile traces from. Pure or stabilized titanium dioxide tolerates temperatures up to 650 ° C, for a few hours to 800 ° C. Typical operating temperatures are 200 to 500 ° C.
Eine nennenswerte Desorption von Arsenoxiden findet bis hinaus zu Temperaturen von 800°C und mehr nicht statt.Significant desorption of arsenic oxides even reaches temperatures not exceeding 800 ° C and more.
Mit Hilfe des erfindungsgemäß eingesetzten Sorbens ist es erstmals möglich, Arsenverbindungen aus heißen Abgasen, wie z. B. Rauchgasen von Kraftwerken, zu entfernen, so daß die Aktivität von Katalysatoren zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen nicht mehr durch Arsenvergiftungen beeinträchtigt wird.With the help of the inventively used sorbent, it is the first time possible, arsenic compounds from hot exhaust gases, such as. B. flue gases of power plants, remove, so that the activity of catalysts to remove nitrogen oxides from exhaust gases no longer by arsenic poisoning is impaired.
Ein weiterer, besonderer Vorteil des erfindungsgemäß eingesetzten Sorbens auf Basis von oberflächenreichem Titandioxid liegt darin, daß es in Gegenwart von Ammoniak als Reduktionsmittel im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff und Wasser reduziert. Das Sorbens katalysiert also in Gegenwart von Ammoniak gleichzeitig die reduktive Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas. Another, particular advantage of the sorbent used in the invention based on high-surface titanium dioxide is that it in the presence of ammonia as a reducing agent contained in the exhaust gas Nitrogen oxides reduced to nitrogen and water. The sorbent catalyzes so in the presence of ammonia at the same time the reductive distance of nitrogen oxides from the exhaust gas.
Dabei stören auch Schwefeloxide nicht, die z. B. in den meisten Abgasen von Feuerungsanlagen auftreten, vorausgesetzt, daß man zur Vermeidung von Ammoniumhydrogensulfat-Ablagerungen eine Betriebstemperatur von ca. 300°C nicht für längere Zeit unterschreitet. Diese Fähigkeit zur katalytischen Reduktion von Stickoxiden besitzen nicht nur die Sorbentien, die zusätzlich Übergangsmetalloxide, wie z. B. Oxide des Vanadiums und/oder Molybdäns und/oder Wolframs, enthalten, sondern auch oberflächenreiches Titandioxid allein.This also does not interfere with sulfur oxides, z. B. in most exhaust gases of combustion plants occur, provided that one to avoid of ammonium bisulfate deposits an operating temperature of about 300 ° C is not below for a long time. This ability For the catalytic reduction of nitrogen oxides not only have the Sorbents which additionally transition metal oxides, such as. B. oxides of Vanadiums and / or molybdenum and / or tungsten, but also surface-rich titanium dioxide alone.
Die katalytische Eigenschaft des erfindungsgemäß eingesetzten Sorbens nimmt zwar durch die Aufnahmen von Arsenoxiden ab, pendelt sich aber auf ein bestimmtes Niveau ein. Eine Restaktivität von 30 bis 40% des Anfangswertes bleibt auch bei vollständiger Beladung des Sorbens mit Arsenoxiden noch erhalten.The catalytic property of the sorbent used according to the invention Although decreases by the recordings of arsenic oxides, but shuttles to a certain level. A residual activity of 30 to 40% of the Initial value remains with complete loading of the sorbent Arsenic oxides still obtained.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun an Hand des folgenden Beispiels näher erläutert:The method according to the invention will now be described with reference to the following example explained in more detail:
Metatitansäure aus dem Sulfatprozeß wird filtriert.Metatitanic acid from the sulphate process is filtered.
Zur Herstellung des Rohmaterials vom Typ A kalziniert man einen Teil des Filterkuchens direkt bei Temperaturen bis zu 500°C.To produce the raw material of type A, one calcines a part of the filter cake directly at temperatures up to 500 ° C.
Das Rohmaterial vom Typ B stellt man wie folgt her:
Der andere Teil des Filterkuchens wird zur Immobilisierung von ca. 40%
seines Sulfatgehaltes mit Bariumcarbonat versetzt, dann durch Zugabe
von konzentrierter Salpetersäure in den Sol-Zustand überführt, anschließend
sprühgetrocknet und bei Temperaturen bis zu 600°C kalziniert.
The type B raw material is made as follows:
The other part of the filter cake is mixed to immobilize about 40% of its sulfate content with barium carbonate, then transferred by the addition of concentrated nitric acid in the sol state, then spray-dried and calcined at temperatures up to 600 ° C.
Nach Aufmahlen werden 74,2 Gew.-% des Rohmaterials vom Typ A, 17,4 Gew.-% des Rohmaterials vom Typ B, 2,7 Gew.-% plastischer Ton und 5,7 Gew.-% E-Glasfasern von 3 mm Länge miteinander vermischt und nach Zugabe von Polyethylenoxid als Plastifizierhilfsmittel und Wasser sowie Neutralisation mit konzentriertem Ammoniakwasser zu einer plastischen Masse verknetet. Die so erhaltene plastische Masse verformt man zu zylindrischen Strangpreßlingen von 3 mm Durchmesser und 5 mm Länge, trocknet für 20 Stunden bei 100°C und kalziniert anschließend für 5 Stunden bei 550°C. Die BET-Oberfläche betrug nach Kalzinieren 70 M²/g.After milling, 74.2% by weight of the type A raw material, 17.4% by weight of the type B raw material, 2.7% by weight plastic clay and 5.7 wt.% E glass fibers of 3 mm length mixed together and after addition of polyethylene oxide as plasticizer and water as well as neutralization with concentrated ammonia water to a plastic Mass kneaded. The resulting plastic mass deformed to cylindrical extrudates of 3 mm diameter and 5 mm Length, dried for 20 hours at 100 ° C and then calcined for 5 hours at 550 ° C. The BET surface area was after calcining 70 M² / g.
Ein Rohrreaktor wurde mit 400 cm³ der Strangpreßlinge gefüllt und bei einer Temperatur von 400°C von 0,5 Nm³/h Testgas folgender Zusammensetzung durchströmt:A tubular reactor was filled with 400 cc of extrudates and at a temperature of 400 ° C of 0.5 Nm³ / h test gas of the following composition flows through:
Die Raumgeschwindigkeit betrug 1250 h-1.The space velocity was 1250 h -1 .
Nach 7 Stunden Betriebszeit wurde das Sorbens entnommen, pulverisiert und analysiert. Der Arsengehalt betrug 0,14 Gew.-%, gerechnet als As, was einer durchschnittlichen Arsenentfernung aus dem Testgas von 99,8% entspricht.After 7 hours of operation, the sorbent was removed, pulverized and analyzed. The arsenic content was 0.14 wt .-%, calculated as As, which is an average arsenic removal from the test gas of 99.8% corresponds.
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