JP3946473B2 - テルミット式溶融炉の炉内温度制御方法および炉内温度制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼却灰等の被溶融物を、テルミット反応を利用して溶融処理するためのテルミット式溶融炉における炉内温度制御方法および炉内温度制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ゴミ等の一般廃棄物や産業廃棄物は、これまで埋立によって処理されていたが、埋立地の枯渇や環境破壊等の問題から、現在では一般に焼却処理されている。しかし、当該焼却処理によっても、処理生成物である焼却灰や排ガスから捕集された飛灰に、重金属類やダイオキシン類等の有害物質が含まれているために、これをそのまま埋立処理するには問題がある。
このため、近年、上記焼却灰や飛灰等の処理灰を溶融炉に投入し、高温雰囲気下等において溶融状態になるまで加熱することにより、有害物質の無害化および処理生成物の減容化を図る各種の溶融炉が開発されている。
【０００３】
このような溶融炉の一種として、テルミット式溶融炉が知られている。このテルミット式溶融炉は、炉内に向けて設けられたバーナーによる化石燃料（灯油、軽油等）の燃焼熱と、処理灰等の被溶融物に混在されたテルミット剤によるテルミット反応とを利用して、効率よく上記被溶融物を加熱して溶融させようとするものである。ここで、上記テルミット反応とは、アルミニウムと酸化鉄の粉末を混ぜて、一定の高温（約１１００℃）に加熱することにより、
Ｆｅ₂ Ｏ₃ ＋２Ａｌ＝２Ｆｅ＋Ａｌ₂ Ｏ₃ ＋８２９ｋＪ
２Ｆｅ＋３／２Ｏ₂ ＝Ｆｅ₂ Ｏ₃ ＋８２３ｋＪ
で表されるように、酸化鉄の還元および鉄の酸化によるテルミット反応を生じさせ、この際発生する大量の熱（８２９ｋＪおよび８２３ｋＪ）を利用して上記被溶融物の溶融に必要な１３００℃〜１５００℃の高温雰囲気を得るものである。
【０００４】
したがって、当該テルミット式溶融炉においては、上記アルミニウムおよび酸化鉄として、アルミニウム精製の過程で残渣として排出されるアルミニウムドロスや廃棄酸化鉄を利用することにより、バーナー等の加熱手段による少ないエネルギーによって、効率的に処理灰の溶融処理を行うことができ、経済性に優れるとともに、テルミット剤の供給を停止することにより、容易に灰溶融炉の運転を停止することができるとった利点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記テルミット式溶融炉においては、一般に底面が傾斜して形成されるとともに、当該底面の上部にテルミット剤を混在させた被溶融物が投入される投入口が設けられ、下部に溶融スラグの排出口が設けられている。そして、上記投入口から投入されたテルミット剤を混在させた被溶融物は、上記バーナーによって加熱され、上記テルミット反応による高温雰囲気下において溶融されて徐々に上記底面に沿って流下し、溶融スラグとなって最終的に底面下部の上記排出口から炉外へと排出されて行く。この結果、上記底面上には、上方から下方に向けて順次上記被溶融物の投入域、溶融域および排出域が連続して形成されている。
【０００６】
そして、テルミット式溶融炉における処理を円滑に行うには、バーナーを制御することにより、上記投入域から溶融域に至る範囲内においてテルミット反応を生じるに充分な温度まで加熱し、さらに溶融域において被溶融物の溶融に必要な１３００℃〜１５００℃の高温雰囲気を保持するとともに、排出域において溶融スラグが固化せずに、円滑に流下して排出口から排出する温度に維持する必要がある。このため、この種のテルミット式溶融炉にあっては、特に傾斜する底面に沿って形成される各領域に対応した細かな温度制御が重要になる。
【０００７】
一方、従来の一般的な溶融炉における炉内温度制御方法としては、熱電対式の温度センサーによって炉内温度を測定し、この測定値に基づいて加熱手段を制御するものが知られている。しかしながら、当該炉内温度制御方法にあっては、直接的に被溶融物の温度を測定するものではなく、もっぱら炉内の雰囲気温度を測定するものであるために、これを上記テルミット式溶融炉の炉内温度制御に適用しようとすると、傾斜する底面を徐々に流下する被溶融物の温度分布を制御することができず、ましてや上述したような被溶融物の投入域、溶融域および排出域のそれぞれに対応した細かな温度制御を行うことはできないという問題点があった。
【０００８】
この結果、上記排出域において溶融スラグを適正な温度に維持できずに、当該溶融スラグが塊状になって排出口を閉塞する虞があり、またこれを回避するために、バーナーの出力を高めて炉内温度を過度に加熱すると、逆に燃料効率の低下を招き、さらには炉壁を傷めたり、あるいは温度センサーの早期消耗を招いたりするという問題点があった。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、複数の領域における被溶融物の温度を直接測定することができ、よってテルミット式溶融炉の炉内温度を、各領域に適した温度に細かく制御することが可能となるテルミット式溶融炉の炉内温度制御方法および炉内温度制御装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のテルミット式溶融炉の炉内温度制御方法は、内部を加熱する複数の加熱手段が設けられ、傾斜する底面の上部にテルミット剤を混在させた被溶融物が投入される投入口が設けられるとともに下部に溶融スラグの排出口が設けられ、上記底面の上方から下方に向けて順次被溶融物の投入域、溶融域および排出域が連続的に形成されるテルミット式溶融炉の炉内温度制御方法であって、上記加熱手段を、それぞれ上記投入域、溶融域および排出域に対応する位置に設けるとともに、上記底面と対向する天井部または側壁部に設けた赤外放射温度計によって、少なくとも上記溶融域および排出域から発せられる赤外放射エネルギーを検出し、この検出信号に基づいて上記溶融域および排出域が所定の温度範囲になるように各々の加熱手段による炉内加熱を制御することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項２に記載のテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置は、内部を加熱する複数の加熱手段が設けられ、傾斜する底面の上部にテルミット剤を混在させた被溶融物が投入される投入口が設けられるとともに下部に溶融スラグの排出口が設けられ、上記底面の上方から下方に向けて順次上記被溶融物の投入域、溶融域および排出域が連続的に形成されるテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置であって、上記底面と対向する天井部または側壁部に、少なくとも上記溶融域および排出域から発せられる赤外放射エネルギーを検出可能な赤外放射温度計を設け、かつ上記複数の加熱手段を、それぞれ上記投入域、溶融域および排出域に対応する位置に設けるとともに、上記赤外放射温度計からの検出信号に基づいて各々の上記加熱手段による炉内加熱を制御する制御手段を備えてなることを特徴とするものである。
【００１３】
ここで、請求項３に記載の発明は、上記加熱手段が、化石燃料によって燃焼するバーナーであり、かつ上記底面と対向する天井部に、上記溶融域に向けた本数が、上記投入域および／または排出域に向けた本数よりも少なくなるように配置したことを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の制御手段が、上記検出信号に基づいて、少なくとも上記溶融域および排出域の温度をカラーまたは白黒の熱画像として表示する表示手段を有することを特徴とするものである。
なお、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、被溶融物とは、投入域における未だ溶融されていないもの、溶融域にある溶融状態のものおよび排出域における溶融スラグを含む総称である。
【００１５】
請求項１〜４のいずれかに記載の発明においては、テルミット式溶融炉の底面が傾斜していることを利用し、これと対向する天井部または側壁部に設けた赤外放射温度計によって、少なくとも溶融域および排出域にある上記被溶融物から発せられる赤外放射エネルギーを直接検出することにより、これら領域の被溶融物の温度を測定し、この検出信号に基づいて、制御手段により上記溶融域および排出域が所定の温度範囲になるように複数の加熱手段を個々に制御しているので、テルミット式溶融炉の炉内温度を、各領域に適した温度に細かく制御することができる。
【００１６】
この結果、従来のように、排出域において溶融スラグを適正な温度に維持できずに、溶融スラグが塊状になって排出口を閉塞するといった弊害を生じることがない。また、溶融域においては、テルミット反応による発生熱量を勘案しつつ加熱手段の出力を調整することができるために、燃料効率の向上を図ることができ、さらには炉壁を傷めることも無い。
【００１７】
この際に、請求項１または２に記載の発明のように、上記複数の加熱手段を、それぞれ上記投入域、溶融域および排出域に対応する位置に設ければ、一層容易に上記各領域を最適温度に制御することが可能になる。
また、上記加熱手段としては、請求項３に記載の発明のように、化石燃料によって燃焼するバーナーが制御の容易さおよび構造の簡易さから好適である。
【００１８】
さらに溶融域は、これを間に挟む投入域および排出域に設けれらたバーナーからの加熱も受けるとともに、当該溶融域はテルミット反応による熱量が加わるために、これら投入域および排出域に設けられたバーナーの本数よりも少ない本数とすることが可能である。また、各領域に設けるバーナーの本数は、溶融炉の幅寸法に対応して設ければよく、この結果、上記投入域に向けて２本以上、上記溶融域に向けて１本以上および上記排出域に向けて２本以上設ければよい。
【００１９】
他方、赤外放射温度計からの検出信号は、電気信号であるために、様々なデータ処理が可能である。例えば、請求項４に記載の発明のように、上記検出信号に基づいて、表示手段に少なくとも上記溶融域および排出域の温度をカラーまたは白黒の熱画像として表示するようにすれば、上記溶融炉内の温度分布や加熱手段による制御状態を常時目視によって確認することができ、運転の操作性を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は、本発明に係るテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置の一実施形態を示すものである。
図中符号１は、テルミット式溶融炉であり、符号２は、この溶融炉１に一体的に併設されて溶融対象物である焼却灰、飛灰、焼却残滓等の処理灰（被溶融物）を貯留するホッパである。このホッパ２の底部には、溶融炉１内に連通する開口部３が形成されており、この開口部３に対向する位置には、ホッパ２内の処理灰を溶融炉１内へと投入するプッシャー４が設けられている。なお、符号５は、プッシャー４を往復駆動するシリンダである。
【００２１】
他方、ホッパ２の上部には、処理灰の搬送手段が設けられている。
この搬送手段は、溶融処理される処理灰を貯留する供給ホッパ７と、この供給ホッパ７から排出された処理灰を搬送するコンベヤ８と、このコンベヤ８に介装されコンベヤ搬送されてくる処理灰の重量を計量するスクリューコンベヤ１０と、このコンベヤ８によって搬送されてくる処理灰に対して、所定割合でテルミット溶融剤を供給する供給装置９とから概略構成されたもので、一定割合のテルミット溶融剤を混在させた処理灰が、上記ホッパ２の上部に導入されている。
【００２２】
ここで、テルミット剤の供給装置９は、アルミニウム成分としてのアルミニウムドロス粉末が蓄えられたアルミニウム容器１１と、酸化鉄成分としての廃棄酸化鉄粉末が蓄えられた酸化鉄容器１２と、これら容器１１、１２から供給されるアルミニウムドロス粉末および廃棄酸化鉄粉末を、前述した反応式に対応する２：１のモル比となる割合でビニール袋に詰めて封じてテルミット溶融剤とした後に、これをコンベヤ８上に供給する袋詰供給装置１３とを備えた構成のものであり、スクリューコンベヤ１０の重量検出信号に基づいて、処理灰に対して一定の割合で上記テルミット溶融剤を供給するように制御されている。
【００２３】
これに対して、ホッパ２の側壁には、上記搬送手段によって供給される処理灰のレベルを検出する、超音波等を用いた非接触のレベル検出器１４が取付けられている。そして、このレベル検出器１４からの検出信号に基づいて、図示されない制御手段により、コンベヤ８、テルミット剤の供給装置９およびスクリューコンベヤ１０を同時に起動し、同時に停止する制御がされるようになっている。
【００２４】
この溶融炉１は、上記開口部３に連続してテルミット剤を混在させた処理灰が供給される底面１ａが傾斜面によって形成され、当該底面１ａの下部には、溶融スラグの排出口１ｂが形成されている。さらに、上記底面１ａに対応して傾斜する天井部１５には、複数本（図では５本）の灯油焚きバーナー（加熱手段）１６が配設されている。ここで、バーナー１６は、２本が底面１ａの上部側（処理灰の投入域Ａ）に向けて設けられ、１本が中央部（溶融域Ｂ）に向けて設けられ、２本が上記溶融域の下部（溶融スラグの排出域Ｃ）に向けて設けられている。
【００２５】
そして、上記底面１ａに対向する溶融炉１の側壁部１ｃには、底面１ａ上の上記投入域Ａ、溶融域Ｂおよび排出域Ｃにおける処理灰または溶融スラグから発せられる赤外放射エネルギーを検出する赤外放射温度計１７が設けられている。
この赤外放射温度計１７は、測定物から自己放射される赤外線の波長および放射の強さが、温度によって変化することを利用して、当該測定物から発せられる赤外放射エネルギーを検出器により電気信号に変換し、光学走査することにより、上記領域Ａ〜Ｃの範囲の測定物の温度を得るものである。
【００２６】
図２は、上記赤外放射温度計１７の取付状態を示すものである。すなわち、溶融炉１の側壁１ｃには、炉壁および断熱材１ｄを貫通する孔部１ｅが形成されており、この孔部１ｅに、前面に透明な窓材１８ａが嵌め込まれた保護管１８が取付けられている。そして、この保護管１８内に、炉内の被溶融物から自己放射される赤外放射エネルギーを光学走査しつつ検出するサーモトレーサ１９が組み込まれている。また、この保護管１８には、空冷用エアーが導入されている。
【００２７】
そして、図３に示すように、サーモトレーサ１９によって検出された処理灰または溶融スラグの温度に関する電気信号は、ケーブル１９ａを介してコンピュータ（制御手段）２２に接続されている。このコンピュータ２２には、上記サーモトレーサ１９からの検出信号に基づいて、少なくとも以下の（１）〜（４）の機能を上記コンピュータ２２に実行させるソフトウエアが収納されている。
（１）上記検出信号により、モニタ（表示手段）２３に、図４に示すように、投入域Ａ、溶融域Ｂおよび排出域Ｃの全域における処理灰または溶融スラグの温度分布２４をカラーの熱画像として表示する。
【００２８】
（２）マウスまたはキーボードからの入力によって移動可能なＸ−Ｙ軸に沿った温度分布２５、２６を上記温度分布に沿わせて表示する。
（３）同様に、入力によって移動可能な複数の点ａ〜ｄにおける温度およびこれらａ〜ｄ点の平均温度を表示する。
（４）投入域Ａ、溶融域Ｂおよび排出域Ｃにおける温度が、予め設定された投入域Ａ：１０００℃〜１２００℃、溶融域Ｂ：１２００℃〜１４００℃の範囲、好ましくは１２５０℃〜１３５０℃、排出域Ｃ：１４００℃〜１５００℃になるように、図３に示すように、バーナー１６による加熱量を個別に制御する。
【００２９】
また、上記溶融炉１の排出部１ｂの下方には、底部に水を蓄えたスラグ排出コンベヤ２０が配設され、このコンベヤ２０によって移送されたスラグが、スラグバンカ２１に蓄えられるようになっている。
他方、溶融炉１から排出された排気ガスは、排ガス管２７から図示されない２次燃焼室において再燃焼され、ダイオキシン類が分解された後、排ガス冷却装置において水の潜熱を利用した直接冷却により、少なくとも５５０℃以下、好ましくは４５０℃以下に急冷され、その後廃熱ボイラ、バーナー１６の燃焼用などに使用される空気の予熱器、白煙防止用空気加熱器等の熱回収手段において熱回収され、さらにバグフィルター等のろ過集塵機などにより別途無害化処理されて煙突から排出されるようになっている。
【００３０】
次に、上記構成からなるテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置を用いた本発明に係る炉内温度制御方法の一実施形態について説明する。
先ず、溶融炉１内の炉内温度を赤外放射温度計１７によって測定し、モニタ２３に表示する。ホッパ２には、コンベヤ８によって供給ホッパ７内の処理灰（被溶融物）を移送しつつ、スクリューコンベヤ１０の荷重に基づいて、供給装置９から処理灰の一定割合ごとにテルミット剤を供給することにより、当該テルミット剤を混在させた処理灰が供給されている。このホッパ２への供給量は、レベル検出器１４からの検出信号に基づいて、ホッパ２内の処理灰上面が下限値に来ると、コンベヤ８、テルミット剤の供給装置９およびスクリューコンベヤ１０を同時に起動し、処理灰の上面が上限値に来ると同時に停止する制御が、図示されない制御手段によりなされる。
かかる状態において、シリンダ５によってプッシャー４を駆動し、ホッパ２内の処理灰等を開口部３から溶融状態の溶融炉１内へと投入する。
【００３１】
すると、赤外放射温度計１７によって測定された投入域Ａの温度が設定した値よりも低下し、この結果コンピュータ２２からの制御により、バーナー１６による加熱量が増加する。
そして、上記投入域Ａの温度が約１１００℃に達すると、テルミット剤がテルミット反応を起こすことにより、上記バーナー１６による加熱とテルミット反応によって発生する熱量とによって処理灰が溶融される。これと並行して、赤外放射温度計１７によって測定された溶融域Ｂの温度が、設定した範囲となるように、コンピュータ２２からの制御により、バーナー１６による加熱が制御される。
【００３２】
そして、溶融された処理灰は、傾斜面１ａに沿って流下し、底部の排出部１ｂから、スラグ排出コンベヤ２０へと排出されて行く。この際にも、排出域Ｃの温度が、溶融スラグの円滑な流下・排出に必要な温度範囲となるように、バーナー１６による加熱が制御される。
【００３３】
このように、上記テルミット式溶融炉の炉内温度制御装置およびこれを用いた制御方法によれば、テルミット式溶融炉１の底面１ａが傾斜していることを利用し、これと対向する側壁部に設けた赤外放射温度計１７によって、投入域Ａ、溶融域Ｂおよび排出域Ｃにある処理灰から発せられる赤外放射エネルギーを直接検出することにより、これら領域Ａ〜Ｃの処理灰または溶融スラグの温度を測定し、この検出信号に基づいて、コンピュータ２２により上記領域Ａ〜Ｃが所定の温度範囲になるように５本のバーナー１６を個々に制御しているので、溶融炉１の炉内温度を、各領域Ａ〜Ｃに適した温度に細かく制御することができる。
【００３４】
この結果、従来のように、排出域Ｃにおいて溶融スラグを適正な温度に維持できずに、溶融スラグが塊状になって排出口を閉塞するといった弊害を生じることがなく、しかも投入域Ａにおいては、容易にテルミット反応を発生させるために最適な温度に制御することができる。加えて、溶融域Ｂにおいては、テルミット反応による発生熱量を勘案しつつバーナー１６の出力を調整することができるために、燃料効率の向上を図ることができ、さらには炉壁を傷めることも無い。
【００３５】
この際に、コンピュータ２２によって個別に制御されるバーナー１６を、それぞれ上記投入域Ａ、溶融域Ｂおよび排出域Ｃに対応する位置に設けているので、容易にこれら各領域Ａ〜Ｃを最適温度に制御することができる。
さらに、上記バーナー１６を、投入域Ａおよび排出域Ｃに対応する位置にそれぞれ２本配置し、これらバーナー１６からの加熱の影響も受けるとともに、テルミット反応の熱も加わる溶融域Ｂに１本配置しているので、全体として少ない本数のバーナー１６によって効果的にこれら領域Ａ〜Ｃの温度を制御することができる。
【００３６】
また、赤外放射温度計１７からの検出信号に基づき、コンピュータ２２内のソフトウエアによって、モニタ２３に、図４に示すような投入域Ａ、溶融域Ｂおよび排出域Ｃの全域における処理灰または溶融スラグの温度分布２４、Ｘ−Ｙ軸に沿った温度分布２５、２６および複数の点ａ〜ｄにおける温度やａ〜ｄ点の平均温度をカラーの熱画像として表示しているので、常時溶融炉１内の温度状況を監視することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜４のいずれかに記載の発明によれば、傾斜するテルミット式溶融炉の底面と対向する側に設けた赤外放射温度計によって、複数の領域にある被溶融物から発せられる赤外放射エネルギーを直接検出し、この検出信号に基づいて、制御手段により各領域が所定の温度範囲になるように複数の加熱手段を個々に制御しているので、テルミット式溶融炉の炉内温度を、各領域に適した温度に細かく制御することができ、よって溶融域においては、テルミット反応による発生熱量を勘案しつつ加熱手段の出力を調整することができるために、燃料効率の向上を図ることができるとともに、排出域においては、確実に溶融スラグを排出口から排出することができる。
【００３８】
この際に、請求項１または２に記載の発明のように、上記複数の加熱手段を、それぞれ上記投入域、溶融域および排出域に対応する位置に設ければ、一層容易に上記各領域を最適温度に制御することが可能になり、さらに請求項３に記載の発明のように、上記加熱手段を化石燃料によって燃焼するバーナーとすることにより、制御および構造を容易にすることができると共に、この加熱手段をテルミット溶融炉特有の配置にしたので、テルミット反応による熱量を有効に活用して装置全体を簡易なもとすることができる。また、請求項４に記載の発明のように、表示手段に少なくとも上記溶融域および排出域の温度をカラーまたは白黒の熱画像として表示するようにすれば、上記溶融炉内の温度分布や加熱手段による制御状態を常時目視によって確認することができ、運転の操作性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】図１のテルミット式溶融炉と制御手段とを示す平面図である。
【図４】図３の表示手段における温度分布の表示形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶融炉
１ａ 底面
１ｃ 側壁部
１５ 天井部
１６ バーナー（加熱手段）
１７ 赤外放射温度計
２２ コンピュータ（制御手段）
２３ モニタ（表示手段）

Claims (4)

1. 内部を加熱する複数の加熱手段が設けられ、傾斜する底面の上部にテルミット剤を混在させた被溶融物が投入される投入口が設けられるとともに下部に溶融スラグの排出口が設けられ、上記底面の上方から下方に向けて順次上記被溶融物の投入域、溶融域および排出域が連続的に形成されるテルミット式溶融炉の炉内温度制御方法であって、
   上記加熱手段を、それぞれ上記投入域、溶融域および排出域に対応する位置に設けるとともに、
   上記底面と対向する天井部または側壁部に設けた赤外放射温度計によって、少なくとも上記溶融域および排出域から発せられる赤外放射エネルギーを検出し、この検出信号に基づいて上記溶融域および排出域が所定の温度範囲になるように各々の上記加熱手段による炉内加熱を制御することを特徴とするテルミット式溶融炉の炉内温度制御方法。
2. 内部を加熱する複数の加熱手段が設けられ、傾斜する底面の上部にテルミット剤を混在させた被溶融物が投入される投入口が設けられるとともに下部に溶融スラグの排出口が設けられ、上記底面の上方から下方に向けて順次上記被溶融物の投入域、溶融域および排出域が連続的に形成されるテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置であって、
   上記底面と対向する天井部または側壁部に、少なくとも上記溶融域および排出域から発せられる赤外放射エネルギーを検出可能な赤外放射温度計を設け、かつ上記複数の加熱手段を、それぞれ上記投入域、溶融域および排出域に対応する位置に設けるとともに、上記赤外放射温度計からの検出信号に基づいて各々の上記加熱手段による炉内加熱を制御する制御手段を備えてなることを特徴とするテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置。
3. 上記加熱手段は、化石燃料によって燃焼するバーナーであり、かつ上記底面と対向する天井部に、上記溶融域に向けた本数が、上記投入域および／または排出域に向けた本数よりも少なくなるように配置したことを特徴とする請求項２に記載のテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置。
4. 上記制御手段は、上記検出信号に基づいて、少なくとも上記溶融域および排出域の温度をカラーまたは白黒の熱画像として表示する表示手段を有することを特徴とする請求項２または３に記載のテルミット式溶融炉の炉内温度制御装置。

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