JP2007040698A - Combustion method of liquid fuel by stepwise atomization - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体燃料の燃焼方法およびこれを実施するためのバーナーに関する。 The present invention relates to a liquid fuel combustion method and a burner for carrying out the method.
例えば工業規模の炉のための燃焼システムの組み立て中における重要な関心事の1つは、火炎特性を最適に制御することにより燃焼効率を最適化させる一方、熱伝達の観点において加熱方法のニーズを満足し、空気への汚染質放出を最小限に抑えることである。 For example, one important concern during assembly of combustion systems for industrial scale furnaces is to optimize combustion efficiency by optimally controlling flame characteristics, while addressing the need for heating methods in terms of heat transfer. Satisfied and to minimize the release of pollutants into the air.
酸化性ガスによる液体燃料の2相燃焼は、実際の燃焼が生じる前に2つの主要な工程を含む。第1の工程において、液体燃料流を不安定化させ、酸化剤とのより高い接触面積を有する燃料スプレーを形成するように注入された霧化用ガスを用いて液体燃料を霧化させることが必要である。使用する霧化用ガスは、例えば、空気、酸素、スチーム、あるいは天然ガスでさえあり得る。その場合、こうして形成された液体燃料滴が、燃料が酸化剤により燃焼する前に、気化することが必要である。燃料滴の気化時間は反応時間よりも長いので、当該反応物質の混合物は、従って燃焼特性は、本質的に燃料スプレーの特性、特に、形成される燃料滴のサイズに依存する。 Two-phase combustion of liquid fuel with oxidizing gas involves two main steps before actual combustion occurs. In a first step, the liquid fuel stream is destabilized and the liquid fuel is atomized using an atomizing gas injected to form a fuel spray having a higher contact area with the oxidant. is necessary. The atomizing gas used can be, for example, air, oxygen, steam or even natural gas. In that case, it is necessary for the liquid fuel droplets thus formed to vaporize before the fuel is burned by the oxidant. Since the vaporization time of the fuel droplets is longer than the reaction time, the mixture of reactants, and thus the combustion characteristics, essentially depends on the characteristics of the fuel spray, in particular the size of the fuel droplets formed.
スプレー特性は、使用する注入器(injector)のタイプに依存する。ほとんどの注入器は、燃料を不安定化(destabilize)させ、スプレーを形成するために、霧化用ガスと液体燃料との間の高い速度差を用いている。高速流が燃料に課されているか、あるいは霧化用ガスに課されているかにより、2つのタイプの注入器が利用できる。すなわち、燃料を高圧に供し、小さな直径のオリフィス中を高速で流すメカニカル注入器(mechanical injector)と、燃料噴流が比較的遅い速度で流れ、高速流の霧化用ガスにより不安定化される「デュアル流体」注入器と呼ばれる注入器とである。しかしながらメカニカル注入器は、一方ではそれらが堆積物により燃料注入オリフィスを閉塞する危険性がより高いために、他方では高い液体圧に到達するために必要な圧縮機の高いコスト故に限られた流量範囲のために、ほとんど使用されていない。 The spray characteristics depend on the type of injector used. Most injectors use a high velocity difference between the atomizing gas and the liquid fuel to destabilize the fuel and form a spray. Two types of injectors are available depending on whether a high velocity flow is imposed on the fuel or the atomizing gas. That is, the fuel is supplied to high pressure, and the fuel jet flows at a relatively low speed through a small diameter orifice at high speed, and the fuel jet flows at a relatively low speed and is destabilized by the high-speed atomizing gas An injector called a "dual fluid" injector. However, mechanical injectors, on the one hand, have a limited flow range due to the higher cost of the compressor required to reach high liquid pressures on the one hand because they are more at risk of plugging the fuel injection orifice with deposits. Because of the little used.
デュアル流体注入器は、非常に高い霧化用ガス流速度を可能とし得る。このカテゴリーにおいて、非常に高速で排出されるガスの低い流量で操作される空気補助霧化器と、より低い霧化用ガス流速度であるが、より高い流量により特徴付けられるスプレー霧化器とは区別される。2つの流体は、閉じ込められた環境内(内部混合型注入器)で、または注入システムの外部で(外部混合型注入器)で混合され得る。 Dual fluid injectors may allow very high atomization gas flow rates. In this category, an air assisted atomizer operated at a very low exhaust gas flow rate and a spray atomizer characterized by a higher flow rate but at a lower atomization gas flow rate. Are distinguished. The two fluids can be mixed in a confined environment (internally mixed injector) or outside the injection system (externally mixed injector).
さらに、液体燃料流は、任意に、霧化用ガス流と接触する前に、適切な表面上にフィルムを形成するように配向され得る。この場合、この注入器は、事前フィルム形成霧化器(prefilming atomizer)と呼ばれ、液体フィルムの事前形成を伴い、もう一方の場合には、プレーン噴流霧化器(plain jet atomizer)と呼ばれ、全液体流を伴う。 Further, the liquid fuel stream can optionally be oriented to form a film on a suitable surface prior to contact with the atomizing gas stream. In this case, the injector is called a prefilming atomizer, which involves the pre-formation of a liquid film, in the other case a plain jet atomizer. With full liquid flow.
オキシ燃焼において最も普通に用いられている注入器は、外部混合を伴い、200m・s-1未満の霧化用ガス速度でのスプレーを伴うデュアル流タイプの注入器、およびプレーン噴流注入器である。 The most commonly used injectors in oxycombustion are dual flow type injectors with external mixing and spraying at atomizing gas velocities below 200 m · s −1 , and plain jet injectors .
かかる注入器により生成されるスプレーの燃焼特性は、主に、相対的な霧化用ガスと液体燃料の速度を変化させることにより制御される。その際、燃料スプレーの平均滴サイズは、変更され、その結果、燃焼反応時間と比較しての気化時間も変化する。滴のサイズと気化時間は、気化した燃料と酸化剤との混合を制御し、それゆえ、特に燃焼が完全であるか否かを決定する非常に重要な燃焼パラメータである。しかしながら、注入速度を制御することは、スプレーの特性と2相燃焼の特性を、それらを加熱されたプロセスに適合させるように調節することに役立つものであるが、そのような注入器は、なお、フレキシビリティーに欠ける。 The combustion characteristics of the spray produced by such injectors are controlled primarily by changing the relative atomizing gas and liquid fuel velocities. In so doing, the average droplet size of the fuel spray is changed, so that the vaporization time compared to the combustion reaction time also changes. Droplet size and vaporization time are very important combustion parameters that control the mixing of vaporized fuel and oxidant and therefore determine whether combustion is complete. However, controlling the injection rate helps to adjust the spray characteristics and the two-phase combustion characteristics to adapt them to the heated process, but such injectors still , Lacks flexibility.
例えば、注入器の冷却を効果的に制御することが困難である。事実、霧化用ガス流量の増加は、平均滴サイズを減少させ、その結果より近い反応領域を、それゆえ注入器の過熱をもたらす。 For example, it is difficult to effectively control the cooling of the injector. In fact, increasing the atomizing gas flow reduces the average drop size, resulting in a closer reaction zone and hence overheating of the injector.
さらに、過度に高い霧化用ガス流量については、霧化モードが、ファイバーモード(fibre mode)、すなわち十分に展開された液体円錐体を伴うものから、超パルスモード(superpulse)、すなわち短い液体円錐台を伴うものに移行し得る。その場合、反応領域は、バーナーの直近において安定化し易く、その破損を引き起こし得る。さらに、過度に高い霧化用ガス速度は、また、火炎の不安定性を引き起こし得る。事実、火炎の安定性が、混合時間と燃焼化学の特性時間(characteristic time)との比に関係し得、火炎はこの比が1を超えると安定であることが立証されている。霧化用ガスの速度が過度に増加した場合、混合時間は、燃焼化学の特性時間よりも短くなり、安定性の条件がもはや満たされないものとなる。 Furthermore, for excessively high atomization gas flow rates, the atomization mode is from fiber mode, ie with a fully deployed liquid cone, to superpulse mode, ie a short liquid cone. You can move to something with a table. In that case, the reaction zone tends to stabilize in the immediate vicinity of the burner and can cause its breakage. Furthermore, excessively high atomization gas velocities can also cause flame instability. In fact, the stability of the flame can be related to the ratio of the mixing time to the characteristic time of the combustion chemistry, and the flame has proven to be stable above this ratio. If the atomizing gas velocity increases excessively, the mixing time will be shorter than the characteristic time of combustion chemistry and the stability requirement will no longer be met.
他の欠点は、スプレー特性がいくつかのパラメータに影響を及ぼし、従ってそれらを互いに独立に制御することが不可能となることである。すなわち、スプレー滴サイズとスプレー角度を独立に制御することができず、特性は霧化ガスの運動量と燃料の運動量との比の両方に依存する。より具体的には、この運動量の比が5よりも小さいとき、霧化用ガスの流量の増加は、同時に、滴サイズの減少と、スプレー角度の拡張をもたらし、火炎は、隣接するバーナーのそれらと相互作用する。 Another drawback is that the spray properties affect several parameters and thus make it impossible to control them independently of each other. That is, the spray droplet size and spray angle cannot be controlled independently, and the characteristics depend on both the ratio of atomizing gas momentum to fuel momentum. More specifically, when this momentum ratio is less than 5, an increase in atomizing gas flow simultaneously results in a decrease in drop size and an increase in spray angle, and the flames are those of adjacent burners. Interact with.
他の欠点は、高粘度の燃料を用いた場合に現れる。その場合、液体燃料流の周りに環として注入された単純な霧化用ガス流は、均一な滴サイズを有するスプレーを生じさせる均一な霧化を可能にしない。これは、不規則な燃焼と火炎安定化の問題を生じさせる。 Another drawback appears when using high viscosity fuels. In that case, a simple atomizing gas stream injected as a ring around the liquid fuel stream does not allow uniform atomization resulting in a spray having a uniform drop size. This creates irregular combustion and flame stabilization problems.
本発明の目的は、上記欠点を克服することにある。 The object of the present invention is to overcome the above drawbacks.
すなわち、本発明は、液体燃料と接触させて霧化用ガスの主要流を注入することにより前記液体燃料のスプレーを生成させる工程を含む、液体燃料の燃焼方法であって、霧化用ガスの少なくとも1つの二次流を、前記スプレーが前記燃料の燃焼を行うために酸化剤の噴流と接触する前に、前記スプレーの二次霧化を生じさせるために前記スプレーの近傍に注入することを特徴とする液体燃料の燃焼方法を提供する。 That is, the present invention is a liquid fuel combustion method including the step of generating a spray of the liquid fuel by injecting a main flow of the atomizing gas in contact with the liquid fuel, Injecting at least one secondary stream in the vicinity of the spray to cause secondary atomization of the spray before it comes into contact with an oxidant jet for combustion of the fuel. A method for burning liquid fuel is provided.
かくして、同じ総霧化用ガス流量について、第1の霧化流の流量が減少し、注入器の近傍により大きなサイズの滴を有するプレーを生じさせる。ついで、この第1のスプレーの燃料滴は、第2の霧化を受け、より小さな滴を有する変更されたスプレーをもたらす。第1のスプレーが既に生成しているので、第2の霧化は、特に高粘度燃料の場合に、より効果的であり、注入器からさらに変更スプレーの滴を連行する。液体燃料のこの段階霧化により、燃焼反応は注入器からさらに遠いところで生じ、それによりバーナーの過熱および破損の危険性を減少させる。バーナーが引き込み可能な(retractable)ヘッドを有する場合、二次霧化がより高い引き込み(retraction)をもってそのヘッドを操作させることを可能とすることは重要である。さらに、それにより増大した霧化用ガス流は、バーナーのより効果的な冷却を可能とする。それにより注入器の耐用年数が増加し、そのメンテナンスが減少する。 Thus, for the same total atomization gas flow rate, the flow rate of the first atomization stream is reduced, resulting in a play with larger sized drops near the injector. This first spray fuel drop then undergoes a second atomization, resulting in a modified spray having smaller drops. Since the first spray has already been produced, the second atomization is more effective, especially for high viscosity fuels, and entrains additional spray drops from the injector. With this staged atomization of liquid fuel, the combustion reaction takes place further away from the injector, thereby reducing the risk of burner overheating and failure. If the burner has a retractable head, it is important to allow the secondary atomization to operate the head with a higher retraction. Furthermore, the increased atomizing gas flow thereby enables more effective cooling of the burner. This increases the useful life of the injector and reduces its maintenance.
注入器の冷却のこの改善は、使用する霧化用ガスが、過熱の危険性が高いガスである酸素の場合に特に有利である。 This improvement in injector cooling is particularly advantageous when the atomizing gas used is oxygen, a gas with a high risk of overheating.
さらに、二次霧化流の存在は、滴サイズ(火炎長)とスプレー角度(火炎幅)との間の依存性を、後者の増加を制限することにより、減少させる。従って、火炎長がより容易に制御され得る一方、隣接するバーナー火炎との相互作用の危険性が制限される。 In addition, the presence of secondary atomized flow reduces the dependence between drop size (flame length) and spray angle (flame width) by limiting the latter increase. Thus, the flame length can be more easily controlled while the risk of interaction with the adjacent burner flame is limited.
本発明のさらなる利点は、NOx化合物の放出の減少である。事実、得られる火炎温度はより均一であり、そのためNOxの生成は減少する。このプロセスは、二次霧化用ガス流による当該反応物質と燃焼生成物のより良好な希釈により強調される。 A further advantage of the present invention is a reduction in the release of NOx compounds. In fact, the resulting flame temperature is more uniform, so NOx production is reduced. This process is accentuated by better dilution of the reactants and combustion products with the secondary atomizing gas stream.
本方法の第1の典型的な態様によると、霧化用ガスの二次流は、液体燃料の注入方向と平行な方向に注入される。 According to a first exemplary embodiment of the method, the secondary flow of atomizing gas is injected in a direction parallel to the liquid fuel injection direction.
本方法の第2の典型的な態様によると、霧化用ガスの二次流は、液体燃料の注入方向に向かって集束する斜め方向に注入される。これにより、スプレー角度をより正確に制御することが可能となり、変更されたスプレー角度は、二次霧化用ガス流の注入方向と燃料の流れ方向との間の角度の2倍に等しい。有利には、二次霧化用ガス流は、0〜60°の角度で、好ましくは0〜30°の角度で注入される。 According to a second exemplary embodiment of the method, the secondary flow of atomizing gas is injected in an oblique direction converging towards the liquid fuel injection direction. This makes it possible to control the spray angle more precisely, and the changed spray angle is equal to twice the angle between the injection direction of the secondary atomizing gas flow and the fuel flow direction. Advantageously, the secondary atomizing gas stream is injected at an angle of 0-60 °, preferably at an angle of 0-30 °.
任意に、火炎幅を増加させ、その結果加熱されたプロセスへの熱伝達を増大させるために、必要により、液体燃料の注入方向に対し二次霧化用ガス流の注入方向を配向させるために、調節手段を設けることができる。 Optionally, to orient the injection direction of the secondary atomization gas stream relative to the injection direction of the liquid fuel, if necessary, to increase the flame width and consequently increase the heat transfer to the heated process Adjustment means can be provided.
有利には、霧化用ガスの二次流は、乱流を生み出すように注入される。この乱流は、反応物質と燃焼生成物の希釈を改善し、NOx化合物の放出をさらに減少させる。 Advantageously, the secondary flow of atomizing gas is injected to create turbulence. This turbulence improves the dilution of reactants and combustion products and further reduces NOx compound emissions.
好ましくは、二次霧化用ガスの流量は、霧化用ガスの総流量の20%〜70%を構成する。 Preferably, the flow rate of the secondary atomizing gas constitutes 20% to 70% of the total flow rate of the atomizing gas.
有利には、霧化用ガスの二次流は、均一に分布し、液体燃料流の周りに等間隔で注入される複数の流れに分割される。この注入は、とりわけ、燃料注入の周りの同心流により、またはバーナーヘッド内で終わり、燃料注入の周りに均一に分布された複数の開口により、行うことができる。より正確には、主要霧化用ガス流は、液体燃料の周りに同軸で注入される一方、二次流は、上記複数の開口を介して注入される。 Advantageously, the secondary flow of atomizing gas is divided into a plurality of streams that are uniformly distributed and injected at equal intervals around the liquid fuel stream. This injection can be performed, inter alia, by concentric flow around the fuel injection, or by a plurality of apertures ending in the burner head and evenly distributed around the fuel injection. More precisely, the main atomizing gas stream is injected coaxially around the liquid fuel, while the secondary stream is injected through the openings.
本発明による方法は、特にWO 2004/094902に記載されているような、酸化剤を注入し、これを、燃料スプレーから種々の距離隔てたところで導入される複数の流れに分割する段階燃焼方法に理想的である。すなわち、酸化剤噴流を、一次酸化剤噴流と二次酸化剤噴流とに分割し、一次酸化剤噴流を、第1の不完全燃焼を生じさせるために液体燃料スプレーの近傍に注入し、この第1の不完全燃焼から生じるガスは、燃料の少なくとも一部をなお含むものであり、他方二次酸化剤噴流を、第1の不完全燃料から生じるガス中に存在する液体燃料の前記一部との燃焼を行うために、液体燃料噴流と液体燃料スプレーに最も近い一次酸化剤噴流との間の距離よりも長い、液体燃料スプレーから距離I2隔てたところで注入することができる。本発明は、また、第3の酸化剤噴流を、距離I2よりも長い、燃料スプレーから距離I1隔てたところで注入する場合も包含する。 The method according to the invention is a staged combustion method in which an oxidant is injected and divided into a plurality of streams introduced at various distances from the fuel spray, in particular as described in WO 2004/094942. Ideal. That is, the oxidant jet is divided into a primary oxidant jet and a secondary oxidant jet, and the primary oxidant jet is injected in the vicinity of the liquid fuel spray to generate the first incomplete combustion. The gas resulting from one incomplete combustion still includes at least a portion of the fuel, while the secondary oxidant jet is coupled to the portion of liquid fuel present in the gas resulting from the first incomplete fuel. Can be injected at a distance I 2 from the liquid fuel spray that is longer than the distance between the liquid fuel jet and the primary oxidant jet closest to the liquid fuel spray. The present invention also includes the case where the third oxidant jet is injected at a distance I 1 from the fuel spray that is longer than the distance I 2 .
本発明による方法は、霧化用ガスを、一方では、燃料注入速度よりも少なくとも10倍早い速度で注入し、他方では、燃料質量流量の10%よりも高い霧化用ガス質量流量を有するところの2相バーナーについて理想的なものである。 The method according to the invention is that the atomizing gas is injected on the one hand at a rate that is at least 10 times faster than the fuel injection rate and on the other hand has an atomizing gas mass flow rate that is higher than 10% of the fuel mass flow rate. It is ideal for a two-phase burner.
本発明は、さらに、上記2相燃焼方法を実施するためのバーナーに関し、そのバーナーは、燃料スプレーを生成させるために少なくとも1つの霧化用ガス注入手段と組み合わされた少なくとも1つの液体燃料注入手段、および少なくとも1つの酸化剤注入手段を備え、燃料注入手段近傍に配置された少なくとも1つの二次霧化用ガス注入手段を備えることを特徴とする。高度に分離された噴流を伴うバーナーの場合には、そのようなバーナーは、一次酸化剤注入手段、一次注入手段の距離よりも長い距離燃料注入手段から隔たったところに配置された二次酸化剤注入手段、および任意に、バーナーの端縁に配置された三次酸化剤注入手段を備える。 The invention further relates to a burner for carrying out the above two-phase combustion method, which burner is combined with at least one atomizing gas injection means to produce a fuel spray. And at least one oxidant injection means, and at least one secondary atomizing gas injection means disposed in the vicinity of the fuel injection means. In the case of a burner with a highly separated jet, such a burner is a primary oxidant injection means, a secondary oxidant arranged at a distance away from the fuel injection means longer than the distance of the primary injection means. Injecting means, and optionally, tertiary oxidant injecting means disposed on the edge of the burner.
有利には、二次霧化用ガス注入手段は、共通の霧化用ガス供給をバイパスさせることにより得られる。バイパス径の選択は、一次霧化用ガス流と主要流との間の比を規定するために役立つ。さらに有利には、二次注入手段は、燃料注入手段に対して、平行か、または斜めに配向される。 Advantageously, the secondary atomizing gas injection means is obtained by bypassing a common atomizing gas supply. The selection of the bypass diameter helps to define the ratio between the primary atomizing gas stream and the main stream. More advantageously, the secondary injection means are oriented parallel or oblique to the fuel injection means.
本発明は、添付の図面に関して与えられる以下の詳細な説明からよりよく理解されるであろう。 The invention will be better understood from the following detailed description given with reference to the accompanying drawings.
本発明による燃焼方法は、図1および図2に示すように、外部混合を伴うスプレー案内霧化ヘッド6を備えるバーナーにより実施される。この霧化ヘッド6は、
燃料供給(fuel feed)2により送給される液体燃料流4のための排出ライン(ejection line)7と、
燃料排出ライン7と同心で、霧化用ガス供給(atomizing gas feed)9に接続され、主要霧化用ガス流3の作用下に液体燃料スプレー10を生成させるために、燃料流4と接触して終わる霧化用ガス排出ライン8
を備える。
The combustion method according to the invention is carried out by a burner comprising a spray-guided
An
Concentric with the
Is provided.
さらに、霧化ヘッド6は、燃料排出ライン7と、および霧化用ガス排出ライン8と平行に配向された6つの二次排出チャンネル(secondary ejection channel)11を有する。これら6つの二次排出チャンネル11は、排出ライン7、8の周りに均一に分布しており、バイパスチャンネル12により霧化用ガス供給9から分岐した二次霧化用ガスを作り出すように設計されている。これらの二次霧化用ガス流1の影響下に、液体燃料スプレー10は、第2の霧化を受け、変更された(modified)スプレー13を生成する。この変更されたスプレー13は、次に、任意に一次流と二次流とに分割された酸化剤の流れ(図示せず)と接触し、燃料の燃焼を行う。また、霧化ヘッド6から比較的長い距離隔てたところに三次酸化剤供給を設けることができ、これを、主要燃焼ゾーンの前に反応物の十分な希釈を得るために酸素を高速度で注入し、それにより熱NOx化合物の過剰な生成を防止するために用いる。実験は、全酸素の50%を三次供給レベルで注入したバーナーは、他のすべての事項を等しいままにして、二次霧化用ガス流のない従来の注入器の火炎安定化距離の約4倍に等しい火炎安定化距離を得るために作用したことを立証している。このより長い安定化距離は、霧化ヘッド6の過熱を減少させるために役立つ。さらに、また、得られた火炎は、遅れた霧化のためにより均一で、より長く、スプレー10は、従来のバーナーから生じるスプレーよりも大きな滴を有する一方、変更されたスプレー13は、より小さな滴サイズを有し、よりよく希釈され、従ってより均一に分配された滴を有することが立証されている。
Furthermore, the
こうして得られたより均一な火炎は、従って、ホットスポットとコールドスポットとの間の温度差を減少させる。 The more uniform flame thus obtained thus reduces the temperature difference between the hot spot and the cold spot.
本発明による霧化ヘッド6を備えるバーナーによるNOx化合物放出の有意の減少も、立証されている。選んだ酸化剤分布に依存して1.2分の1〜1.5分の1という減少は、同じ全霧化用ガス流量について得ることができる。この減少は、本発明により得られる反応領域の遅延(lag)により説明することができる。
A significant reduction in NOx compound emission by a burner with an
変形例として、図3に示す霧化ヘッド1は、燃料の流れ方向に対し角度αをもって斜めに配向した二次排出ライン14を有するという点でのみ、霧化ヘッド6と異なる。角度αは、有利には0〜60°であり、好ましくは0〜30°である。これらの二次排出ライン14は、2αのスプレー角度を有する変更されたスプレー13をスプレー10とともに形成する二次霧化用ガス流5を送給する。このような霧化ヘッド1は、火炎幅のより正確な調整に適している。
As a modification, the
本発明を具体的な態様に関して説明したが、本発明はそれにより限定されるものではなく、また本発明は、記述した手段、およびそれらの組合せの全ての技術的均等物を、それらが本発明の範囲内にあるならば、包含するものである。 Although the invention has been described with reference to specific embodiments, the invention is not limited thereby, and the invention covers all technical equivalents of the means described, and combinations thereof. It is included if it is in the range.
1、5…二次霧化用ガス流
2…燃料供給
3…主要霧化用ガス流
4…液体燃料流
6…霧化ヘッド
7…排出ライン
8…霧化用ガス排出ライン
9…霧化用ガス供給
10…液体燃料スプレー
11…二次排出チャンネル
12…バイパスチャンネル
13…変更されたスプレー
14…二次排出ライン
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