DE60018291T2 - Verfahren und vorrichtung zur entgiftung von verbrennungsabgasen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Verbrennungsgasen, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entgiftung von Verbrennungsgasen.
  • Bei einer Verbrennung von Kraftstoffen, wie Benzin oder Diesel, wird eine große Anzahl von Verbindungen erzeugt, wie zum Beispiel Stickoxid (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC). Hinzu kommt Ozon (O3), ein Sekundärschadstoff, der durch photochemische Reaktionen zwischen Stickstoffoxiden und Kohlenwasserstoffen entsteht.
  • Die Behörden haben die Forschungen mit dem Ziel der Reduzierung dieser Schadstoffemissionen gefördert, und es wurden viele Vorrichtungen vorgeschlagen. Im Kraftfahrzeugbereich ist die Verwendung des Katalysators bekannt, dessen Wirkung es ist, diese Schadstoffe zu verbrennen.
  • Unglücklicherweise verringert der Katalysator nur manche Emissionen und wandelt im Gegenzug manche Verbindungen in noch gefährlichere Substanzen um.
  • Es wurden andere Lösungen vorgeschlagen, insbesondere im Bereich der Industrie, mit der Verwendung von Wasserfiltern, die in den Rauchabzügen angeordnet werden, um Schadstoffe im Wasser einzufangen und zu sammeln. Dieses Wasser wird wiederaufbereitet, um es von diesen Stoffen zu trennen, und wird anschließend wieder in den Filterkreis eingegeben.
  • Obwohl eine gewisse Verbesserung der Luftqualität aufgrund der Verwendung dieser Entgiftungsvorrichtungen festgestellt wurde, haben diese noch Lücken, entweder bei ihrer Anwendung oder aufgrund ihrer Kosten oder ihrer Wirksamkeit.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, die 100 der giftigsten Stoffe beseitigen und gleichzeitig keinen anderen neuen Stoff erzeugen.
  • Dieses Ziel wird durch die Vorrichtung zur Entgiftung von Verbrennungsgasen gemäß der vorliegenden Erfindung voll und ganz erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass diese Vorrichtung eine Kühlkammer zum Abkühlen der Gase auf eine niedrige Temperatur aufweist.
  • Erfindungsgemäß besteht das Verfahren darin, die Verbrennungsgase zu entgiften, indem sie auf eine niedrige Temperatur abgekühlt werden.
  • Die Entgiftungswirkung wird durch die Kondensation der Schadstoffe in einer Kammer erhalten, in der die Gase auf eine Temperatur von einigen Grad über Null abgekühlt werden. Die Kondensationswirkung entsteht, sobald die Gase abgekühlt werden, wobei klar ist, dass die Wirkung umso größer wird, je weiter die Temperatur absinkt.
  • Die optimale Kondensationstemperatur liegt nahe Null Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 3 und 6°C, d.h. kurz bevor sich Eiskristalle bilden. Tatsächlich hätte die Ausbildung von Eis die schnelle Verstopfung des Auspuffs zur Folge.
  • Die Kondensationsflüssigkeit wird anschließend aufgefangen, um sie ökologisch zu entsorgen.
  • Diese Art Vorrichtung kann in vielen Anlagen verwendet werden, zum Beispiel bei den Schornsteinen von Müllverbrennungsanlagen, sowie für andere Anwendungen von Industrieschornsteinen, wie auch auf dem Gebiet der Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
  • Auf diesem letzteren Gebiet erstreckt sich die vorliegende Erfindung auch auf eine Kälteerzeugungsvorrichtung (zum Beispiel die Klimaanlage) durch Wiedergewinnung der Wärmeenergie der Auspuffgase des Fahrzeugs.
  • Solche Vorrichtungen sind im Stand der Technik beschrieben, insbesondere in der Druckschrift GB-A-1357034, die eine Entgiftungsvorrichtung für Verbrennungsgase gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschreibt.
  • Die Druckschrift US 5'383'341 beschreibt ein Kühlsystem, das auf dem Prinzip der Absorption beruht, und dessen Energie von den Auspuffgasen geliefert wird. Dieses System betrifft nur die sorgfältige Nutzung der von den Gasen erzeugten Energie, eine thermische Energie, die für die Erzeugung von Kälte verwendet wird.
  • Obwohl das Hauptziel der vorliegenden Erfindung die Entgiftung von Verbrennungsgasen ist, erstreckt die Erfindung sich auch auf ein leistungsfähiges System zur Kälteenergieerzeugung durch Wiedergewinnung der Wärmeenergie der Verbrennungsgase.
  • Um die Auspuffgase abzukühlen, wird ein im Auspufftopf angeordneter Verdampfer verwendet, der die Gase beträchtlich abkühlt. Entlang des Verdampfers angeordnete Rekuperatoren sammeln die Kondensationsflüssigkeit. Diese Flüssigkeit kann entweder in einer den Motorölwechseln entsprechenden Zeitfolge ökologisch entsorgt oder in den Tank zurückgeführt werden. Aufgrund ihrer Herstellung in kleinen Mengen stellt ihre Beimischung zum Benzin oder Diesel keinerlei Problem dar.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die für den thermischen Zyklus verwendete Kühlmittel-Absorptionsmittel-Mischung eine Mischung aus Wasser (Absorptionsmittel) und Ammoniak (Kühlmittel). Letzteres hat eine gute Ausdehnungseigenschaft, ein Merkmal, das bei dieser Art Verwendung wichtig ist. Versuche haben gezeigt, dass bei mehr als 70% Wasser in der Mischung der Zyklus nicht mehr optimal abläuft.
  • Die Erfindung wird besser verstanden werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die als nicht einschränkend zu verstehende Beispiele dienen und in denen:
  • 1 das System zur Gasentgiftung zeigt, das als Energiequelle die Verbrennungsgase eines Verbrennungsmotors verwendet;
  • 2 eine Vorrichtung zur automatischen Reinigung des Verdampfers darstellt,
  • 3 die Integration eines Katalysator-Brenner-Elements zeigt.
  • TABELLE
    Figure 00050001
  • In der Tabelle ist das Ergebnis der Analyse einer Emissionsprobe von Auspuffgasen eines Traktors dargestellt, in den das erfindungsgemäße System eingebaut wurde. Man kann feststellen, dass alle Verbindungen mit geringem Molekulargewicht zu 100 entfernt wurden. Allgemein verschwinden Schadstoffe mit geringem Molekulargewicht, wie Toluol, Aldehyd, sowie bestimmte Kohlenwasserstoffe mit geringem Gewicht (zum Beispiel Chlorparaffin) vollständig. Es bleiben nur die Moleküle mit großem Gewicht, die nicht kondensiert werden. Man stellt insbesondere die vollständige Entfernung von Toluol fest, ein Stoff, der als gefährlich bekannt ist. Global gesehen, werden mit der Absenkung der Temperatur der Gase auf 6°C 75%. der Schadstoffe entfernt.
  • 2 stellt ein vollständiges System der Verwendung der Erfindung bei einem Fahrzeug dar, mit einer primären Nutzung zur Anwendung der Entgiftung, und mit einer sekundären Nutzung zur Kälteerzeugung für das Fahrzeug. Die Mischung aus Wasser und Ammoniak durchquert den Brenner 1, der durch die aus dem Motor 2 austretenden Auspuffgase mit Wärme gespeist wird. Der Siedepunkt des Ammoniaks ist sehr niedrig (in der Größenordnung von –33°C), und unter der Wirkung der Wärme der Gase verdampft es und lässt das Wasser übrig, mit dem es vermischt war. Da ein Teil des Wassers ebenfalls verdampft, wird ein Flüssigkeitsabscheider 3 eingesetzt, der zur Aufgabe hat, die Wasserdämpfe zurückzuhalten und nur die Ammoniakdämpfe durchzulassen. Diese Dämpfe durchqueren anschließend einen Kondensator 4, der diese Dämpfe aufgrund des vom System erzeugten Drucks verflüssigt. Das Wasser, das schwerer ist als Ammoniak, befindet sich im unteren Teil des Brenners 1 und wird in den Absorber 11 geführt, um mit Ammoniak rekombiniert zu werden, was seinen Transferzyklus beendet.
  • Eine der Besonderheiten dieser Einheit besteht aus den Elektroventilen 5 und 6 und dem Tank 7. Das erste Elektroventil 5 öffnet sich, sobald der Druck auf der Tankseite geringer ist als auf der Kondensatorseite 4. Das zweite Elektroventil 6 wird vom Versorgungskontakt des Motors gesteuert. Im Ruhezustand ist das Elektroventil 6 geschlossen, und das Elektroventil 5 schließt sich, sobald der von der Verdampfung des Ammoniaks bewirkte Druck verschwindet, d.h., wenn die Gase den Brenner 1 nicht mehr erhitzen. In diesem Fall behält der Tank 7 den Betriebsdruck in Form von unter Druck stehender Flüssigkeit bei, während die beiden Elektroventile geschlossen sind.
  • Beim Starten des Motors öffnet sich das Elektroventil 6, und der im Tank 7 angesammelte Druck erzeugt sofort Kälte im Verdampfer des Auspuffs. Diese Konfiguration unterscheidet sich vom System mit Katalysator, das nicht sofort arbeitet, da es eine Aufwärmzeit von mehreren Minuten erfordert.
  • Vor dem Endauspufftopf befindet sich eine erste Kühlstufe 16, die es ermöglicht, die Temperatur der Gase auf etwa 50°C zu senken.
  • Nahe dem Auspufftopf 10 befindet sich das Expansionsventil 8, das von einem (nicht dargestellten) Temperaturfühler geregelt wird. Das Ammoniak wird im Verdampfer 9 verdampft, und seine Ausdehnung bewirkt eine Senkung der Temperatur, die –25°C erreichen kann. Das Expansionsventil 8 wird so geregelt, dass es die Gase des Auspufftopfs 10 auf etwa 4°C abkühlt.
  • Im Inneren des Topfs 10 unter dem Verdampfer 9 befindet sich der Rekuperator 15 für Kondensationsflüssigkeit. Ein Kanal ermöglicht es, diese Flüssigkeit zu pumpen und wieder in den Brennstofftank einzuspritzen.
  • Der Druck des Ammoniaks, der ursprünglich am Ausgang des Brenners auf 15 Bar ist, endet bei etwa 1 oder 2 Bar im Verdampfer 9. Wenn der Zyklus beendet ist, wird das Ammoniak in den Absorber 11 geschickt, um dort vom Wasser absorbiert zu werden, und wird dann von einer Pumpe 12 in den Brenner 1 ausgestoßen. Ein Rückschlagventil 13 hindert die Mischung daran, bei Stillstand des Motors in die Pumpe zurückzufließen.
  • In einer Form der Erfindung wird ein Teil des unter Druck stehenden Ammoniaks in einen zweiten Kreislauf 14 zur Erzeugung von Kälte mit dem Ziel der Abkühlung des Fahrgastraums oder eine Kühlkammer des Fahrzeugs abgeleitet. Es ist anzumerken, dass die Kälteerzeugung auf diese Weise nicht nur praktisch keine Energie verbraucht und somit der Leistung des Fahrzeugs in keiner Weise abträglich ist (was bei den aktuellen Systemen bei weitem nicht der Fall ist), sondern sogar den Vorteil hat, die Gase dieses Fahrzeugs zu entgiften.
  • 2 zeigt eine elegante Lösung, um die Bildung von Ablagerungen entlang der Rohrschlange 17 zu verhindern, die im Auspufftopf 10 angeordnet ist. Es ist bekannt, dass die Auspuffgase die Tendenz haben, die verschiedenen inneren Gegenstände, und vor allem die Rohrschlange 17, zu verschmutzen. Dies würde zu einer schnellen Verschlechterung des Leistungsgrads der Anlage führen. Um diese Verschmutzung zu vermeiden, wird eine neue Lösung vorgeschlagen, die darin besteht, die Rohrschlange 17 zwischen zwei ortsfesten Platten 19 an jedem Ende und mehreren beweglichen Platten 18 zwischen diesen beiden Platten anzuordnen, wobei letztere Öffnungen aufweisen, die an den Durchmesser der Rohrschlange angepasst sind. Die ortsfesten Platten 19 weisen eine große Anzahl von Öffnungen auf, um die Gase frei durchzulassen. Die beweglichen Platten 18 werden untereinander durch Stege 21 gehalten, und die von diesen Platten gebildete Einheit wird in der Ruhestellung von Federn mit schwachem Rückstellmoment 20 gehalten, die mit den ortsfesten Platten 19 verbunden sind. Wenn die Auspuffgase in den Topf eindringen, schieben sie so die beweglichen Platten 18, die die Rohrschlange über ihre Länge reiben, indem sie sie von Rückständen befreien, die sich dort festgesetzt haben. Wenn die Motordrehzahl abrupt sinkt, wird ein umgekehrter Druck in den Auspufftopf induziert, und die beweglichen Platten 18 werden zum Eingang des Topfes gezogen. Diese Hin- und Herbewegung ermöglicht es, eine automatische Reinigung der Rohrschlange zu gewährleisten.
  • Es ist klar, dass die beweglichen Platten 18 den Durchmesser des Topfes nicht vollständig schließen, sondern teilweise offen sind, die eine in ihrem unteren Bereich, die andere in ihrem oberen Bereich, usw. Diese Anordnung zwingt die Gase, eine Zickzackbewegung durchzuführen, ehe ihr Weg am Ausgang des Topfes endet, und bewirkt einen Druck gegen die beweglichen Platten. Diese Konfiguration zwingt außerdem die Gase, einen mit Wasser gefüllten Tank zu durchqueren, das sich durch Kondensation des in den Gasen enthaltenen Wasserdampfs bildet. Dieser Weg durch die Flüssigkeit ermöglicht es, die in den Gasen enthaltenen Teilchen einzufangen.
  • Diese Teilchen setzen sich am Boden des Auspufftopfs ab, und wenn der Pegel ausreicht, fließen sie in den Rekuperator 15. Gemäß einer der Varianten der Erfindung wird der Rekuperator etwa alle 80'000 km geleert.
  • In 3 wird eine kompakte Ausführungsform einer Einheit aus Katalysator und Brenner dargestellt. Der Katalysator-Brenner hat folgende Aufgaben:
    • – die Abfallprodukte des Rauchs (CO-NOx-HC) mit Hilfe eines Katalyseverfahrens zu verbrennen;
    • – die reiche Lösung, zum Beispiel NH3H2O zu erwärmen, um über einen Tauscher (3) und eine Aufkochkammer (4) NH3 von H2O zu trennen.
  • Der Rauch wird über einen oder mehrere Eingänge 24 (je nachdem, ob man den Brenner anstelle des oder nach dem Kollektor angeordnet hat) in die Katalysekammer eingelassen, die mit Platten 25 versehen ist, deren Material und Anzahl je nach den Fahrzeugen variieren können (von Golddouble zu Platindouble, über bestimmte nichtrostende Stähle, usw.).
  • Beispiel: Gold, das bei 1064°C schmilzt, ist besser geeignet für Diesel. Für Benzinmotoren wäre es besser, Platin zu verwenden, das bei 1755°C schmilzt.
  • Nach der Katalysekammer durchquert der Rauch einen Tauscher 26, in dem er eine Flüssigkeit erwärmt, zum Beispiel NH3-H2O, und auf eine ausreichende Temperatur bringt, um NH3 von H2O zu trennen. In diesem Gerät wird also der Rauch eines großen Teils von NOx-CO und HC freigesetzt, und man erwärmt eine Flüssigkeit (reiche Lösung 29), um aufgrund einer Trennung ein Kühlfluid zu erhalten.
  • Als Beispiel wird die Flüssigkeit NH3-H2O genommen. Bei 20°C kann ein Liter H2O etwa 520 g, d.h. 0, 8 Liter NH3 absorbieren, indem die Temperatur des NH3 erhöht wird. Dieses letztere, das ab –33°C siedet, trennt sich vom H2O und erzeugt dabei einen derartigen Druck, dass selbst wenn die Temperatur über 100°C steigt (und 150°C erreichen könnte) , NH3 Dampf ist und H2O flüssig bleibt (Mollier-Gesetz). Dieser Vorgang ermöglicht es so, NH3 von H2O zu trennen, indem nur NH3 in seine Form als Kühlmittel 28 und H2O, das arme Lösung 30 genannt wird, in seine Form als Absorber für einen neuen Zyklus überführt wird.
  • Der Rauch, der von einem großen Teil von NOx-CO und HC getrennt und teilweise gekühlt ist, wird über 31 zu anderen Klärvorrichtungen geführt.
  • Bei kleinen Motoren, und insbesondere, wenn sie sich langsam drehen, kann die Kälteerzeugung unzureichend sein. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Kälte auch für andere Zwecke verwendet wird, zum Beispiel für die Kühlung des Fahrgastraums des Fahrzeugs.
  • Man steht vor dem gleichen Problem, wenn man über einen kleinen autonomen Motor verfügt, der die Aufgabe hat, die elektrische Energie sowie die Kälte für eine Kühlkammer zu erzeugen.
  • Um die Kälteerzeugung zu verbessern, d.h. die Nutzleistung der vom Motor erzeugten Wärme für die Kälteerzeugung zu verbessern, wird vorgeschlagen, am Ausgang des Brenners 1 einen ersten Wärmetauscher 22 hinzuzufügen, der dazu bestimmt ist, die Mischung aus Wasser und Ammoniak vor ihrem Eintritt in den Brenner vorzuwärmen. Dieser Tauscher 22 beschleunigt die Erwärmung der Mischung und kühlt die Auspuffgase wirksam vor.
  • Die Gase am Ausgang des Brenners sind auf einer Temperatur von etwa 140°C und werden am Ausgang des Tauschers 22 auf eine Temperatur von etwa 60°C gesenkt. Aufgrund dieser Konfiguration ist das Vorhandensein der Kühlstufe 16 nicht mehr notwendig, da die Gase vom Tauscher 22 ausreichend gekühlt werden. Die globale Umwandlungsleistung der vom Motor erzeugten Wärme zur Erzeugung von Energiekälte geht über 50% hinaus.
  • Die an den nach dem Gas-Kühlsystem verbleibenden Schadstoffresten durchgeführten Messungen zeigen, dass 75% der Emissionen kondensiert sind. Tatsächlich entfernt das Kühlsystem praktisch alle Kohlenwasserstoffe und alle Teilchen, lässt aber Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxid (NOx), sowie Kohlenwasserstoffe (HC) mit niedriger Siedetemperatur durch.
  • Der Katalysator seinerseits verbrennt all dies, lässt aber die Teilchen durch und erzeugt andere (Platin, Palladium, Rhodium usw.), die wesentlich giftiger sind als Blei.
  • Um dieses Ergebnis zu verbessern, wird vorgeschlagen, den allgemein bei Motorfahrzeugen verwendeten Katalysator und das weiter oben beschriebene Kühlsystem zu kombinieren.
  • Hierzu wird ein geeignet isolierter Katalysator 23 genau am Ausgang des Motors 2 vor dem Brenner 1 angeordnet. Aufgrund der Kombination dieser beiden Techniken wird die Entfernung aller Teilchen unabhängig von ihrer Beschaffenheit erreicht; die Ergebnisse haben gezeigt dass 99% der Schadstoffemissionen entfernt werden.

Claims (10)

  1. In ein Motorfahrzeug eingebaute Vorrichtung zur Entgiftung von Verbrennungsgasen, die entlang des Ausströmkreislaufs der Gase angeordnet ist und einen Brenner (1), in dem die von den Abgasen zugeführte Wärmeenergie das Verdampfen einer Kühlmittel-Absorptionsmittel-Mischung hervorruft, einen Flüssigkeitsabscheider (3), der am Ausgang des oberen Bereichs des Brenners (1) angeordnet ist, und einen die Kühlung der Abgase ermöglichenden Verdampfer (9) gefolgt von einem Absorber (11) aufweist, der zwischen dem Brenner (1) und dem Verdampfer (9) für die Rekombination der Kühlmittel-Absorptionsmittel-Mischung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Katalysator (23), der am Gasaustritt des Motors und vor dem Brenner (1) angeordnet ist, ein Expansionsventil (8), das stromaufwärts vor dem Verdampfer (9) angeordnet ist, wobei letzterer einen Rekuperator (15) für die kondensierten Gase aufweist und in einen Auspufftopf (10) montiert ist, eine Pumpe (12) stromabwärts hinter dem Absorber (11), um die Kühlmittel-Absorptionsmittel-Mischung in den Brenner (1) zu schicken, und einen zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (3) und dem Expansionsventil (8) angeordneten Kondensator (4) aufweist, der die vom Flüssigkeitsabscheider (3) gefilterten Dämpfe aufgrund des von der Vorrichtung erzeugten Drucks in flüssige Form umwandelt, wobei letzterer dazu bestimmt ist, nur die Kühlmitteldämpfe durchzulassen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (8) eingestellt ist, um die Gase auf zwischen 3 und 6 Grad Celsius zu kühlen.
  3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (23) und der Brenner (1) in einem Stück hergestellt sind.
  4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Speichereinheit (5, 6, 7) für unter Druck stehende Flüssigkeit aufweist, die ein erstes Elektroventil (5), das offen ist, wenn der Druck stromaufwärts größer ist als stromabwärts, ein zweites Elektroventil (6), das offen ist, sobald der Motor (2) arbeitet, und einen Behälter (7) aufweist, der zwischen diesen beiden Elektroventilen angeordnet ist und das unter Druck stehende flüssige Kühlmittel speichert.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (9) aus einer länglichen Rohrschlange (17) besteht, deren geradlinige Bereiche durch bewegliche Platten (18) zueinander in Abstand gehalten werden, die sich unter dem Druck der Abgase in Längsrichtung entlang der geradlinigen Bereiche der Rohrschlange (17) verschieben und die Reinigung der Rohrschlange (17) gewährleisten.
  6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zwischen dem Brenner und dem Auspufftopf (10) angeordneten Wärmetauscher (22) aufweist, der dazu bestimmt ist, die für den Brenner (1) bestimmte Kühlmittel-Absorptionsmittel-Mischung vorzuwärmen.
  7. Verfahren zur Entgiftung der Verbrennungsgase der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zunächst darin besteht, die Gase in einer den Katalysator (23) enthaltenden Katalysatorkammer zu verbrennen und dann die Gase auf eine niedrige Temperatur abzukühlen, um die Kondensation der bei der Verbrennung freigesetzten Substanzen hervorzurufen.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Gase auf eine Temperatur zwischen 3 und 6° C abzukühlen.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine von der Kondensation, der Gase stammende Flüssigkeit zu sammeln.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die Wärmeenergie der Abgase zu nutzen, um eine Kühleinheit zu speisen, die auf der Basis der Absorption durch eine Kühlmittel-Absorptionsmittel-Mischung arbeitet.
DE60018291T 1999-09-08 2000-09-04 Verfahren und vorrichtung zur entgiftung von verbrennungsabgasen Expired - Lifetime DE60018291T2 (de)

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