JP4633216B2 - スクリュー式炭化炉による炭化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性の被炭化物をスクリュー式炭化炉により炭化する方法に関し、より詳細には、下水汚泥、製紙工場スラッジ、化学工場スラッジ、食品加工工場スラッジ、家畜糞等の有機物をスクリュー式炭化炉により炭化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒状搬送路内に被炭化物を送りながら連続して有機物を炭化する装置として、角筒状炉体の底部に燃焼室を備え、炉体内に配設した乾留ガス吹出し口を有する円筒状搬送路内に家畜糞等の有機物原料を搬送しながら、燃焼室で発生する熱でそれらを乾燥、炭化する装置がある。これらの装置で、高い含水率の有機物原料が供給された場合には、搬送速度を低下させて加熱時間を長くしたり、炉内温度を上昇させる等の調節を行なっている。
【０００３】
このような乾燥、炭化を同一装置で連続して行なうことに伴う処理の困難さを解消する装置として、有機物原料を乾燥させる蒸発用搬送路と、それを炭化させる炭化用搬送路を区分し、これらの搬送路の間に原料振分け手段を設置すると共に、その原料振分け手段と蒸発用搬送路の搬送始端部との間に返戻用搬送路を設けている。そして、原料振分け手段により、蒸発用搬送路から送給された有機物原料を炭化用搬送路及び返戻用搬送路のうち任意の一方又は双方に適宜振り分けることができるようにしているものがある（例えば、特許第２７６４５６５号登録公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、炭化炉においては、炭化途中の材料状態の確認が困難であることから、装置出口製品外観又は最終段出口温度で炭化状態を管理、制御する必要があると共に、装置の滞留時間が１５ないし３０分程度と長く、押し出し流れなので最終段出口温度によるスクリュー速度のワンループ制御等では遅れが大きく、品質のばらつきが大きかった。ところで、炭化を確実に均一にするためには最終段出口の炭化物の温度を適正値に保つことが必要であるが、そのためには炭化炉入口ガス温度を制御することが有効である。また、乾留ガスの燃焼で発生する有害物質を小型な設備で効率よく除去する必要がある。さらに、伝熱を良くしてエネルギーを有効利用することが必要である。しかしながら、上述の装置の制御は、乾燥装置に係わるもので、炭化炉にそのまま適用するには有機物である被炭化物の物性等に対する考慮が不十分で、品質のばらつきが大きいものである。
本発明者は上述した課題に対処して創案したものであって、スクリュー式炭化炉による炭化方法について研究し、排出される炭化物の温度に応じて加熱用ガス温度を調節し、被炭化物の搬送速度を変化させ、炭化炉に燃焼用空気等の気体を吹き込む等により、設備を小型にできることを究明した。
【０００５】
本発明の目的とする処は、製品の品質を一定にでき、炭化炉性能を向上して設備を小型にできるスクリュー式炭化炉による炭化方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そして、上記目的を達成するための手段としての本発明の請求項１のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、加熱槽内に略水平に設けられた乾留ガス吹出し口を有する複数のスクリューコンベヤ内を被炭化物を搬送しながら加熱して炭化する炭化方法であって、少なくとも最終段又はその前段のスクリューコンベヤから排出される炭化物又は前記被炭化物の温度と、前記加熱槽から排出される排ガスの温度を測定し、前記炭化物又は前記被炭化物の温度に応じて各スクリューコンベヤの搬送速度を前記炭化物又は前記被炭化物の搬送量が前段と等しいか少なくなるように調節すると共に、前記炭化物の温度と、前記加熱槽から排出される前記排ガスの温度に応じて前記加熱槽に吹き込む熱風温度を調節することを特徴とする。
【０００７】
請求項２のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、請求項１において、前記各調節方法をファジィ制御により行なう。請求項３のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、請求項１又は２において、前記スクリューコンベヤの搬送速度を被炭化物の乾燥・炭化の進行状態による体積変化に応じて調節する。請求項４のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、請求項１〜３において、前記加熱槽内に側壁から気体を吹き込んで該加熱槽内の燃焼ガスを攪拌する。
【０００８】
本発明におけるスクリュー式炭化炉による炭化方法は、乾留ガス吹出し口を有するスクリューコンベヤで被炭化物の搬送速度を変えて加熱槽内を搬送しながら加熱し、炭化させる。この際、炭化物または被炭化物の温度を測定して、その測定値に応じてスクリューコンベヤの搬送速度を調節することで、加熱効率を向上させ、製品の品質の均一化が図れる。
また、前記スクリューコンベヤの搬送速度の調節と共に、最終段のスクリューコンベヤから排出される炭化物の温度と、加熱槽から排出される排ガスの温度とに応じて加熱槽に吹き込む熱風温度を調節することで、さらに加熱効率を向上させ、製品の品質の均一化が図れる。この調節の際、ファジィ制御をすることにより一層きめ細かな制御が可能となり、一層均一な品質の製品を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。ここに、図１は本発明に係るスクリュー式炭化炉による炭化方法を説明する炭化炉の概略構成図である。図２は被炭化物の搬送部の構成を示す説明図、図３は炭化炉の一部の構成の加熱槽の気体吹き込み状態を示す断面図である。
【００１０】
本願発明の実施に使用するスクリュー式炭化炉１は、角筒状の加熱槽２内に乾留ガス吹出し口を有する複数のスクリューコンベヤ３、４、５、６が略水平に配設され、最上段のスクリューコンベヤ３に乾燥汚泥を貯留したホッパー７から供給する汚泥供給装置８が接続され、加熱槽２の下部には乾燥汚泥加熱用の予熱炉９が接続されて構成されている。また、加熱槽２に周囲から攪拌用の気体を吹き込むための吹込気体供給管１０が設けられ、加熱槽２の上部には炭化に使用した排気を処理する再燃焼炉１１が設けられている。
【００１１】
スクリューコンベヤ３は一端側で汚泥供給装置８に接続し、供給される乾燥汚泥を他端側に搬送する。このスクリューコンベヤ３は、図２に示すように、複数個の乾留ガス吹出し口３ａを設けたトラフからなり、他端側で第１接続シュート１２に接続し、第１接続シュート１２は第１段のスクリューコンベヤ３と第２段のスクリューコンベヤ４とを接続している。スクリューコンベヤ３の回転軸１３の他端側には伝導機構が連結され、駆動モータ１４に連結されている。スクリューコンベヤ３の搬送速度（搬送量）は、駆動モータ１４から伝導機構を経て駆動される回転軸１３の回転数を調節することにより行なわれる。ホッパ７に貯留された汚泥は、汚泥供給装置８によりスクリューコンベヤ３の一端側に供給され、駆動モータ１４により駆動されて、加熱槽２内を他端側に搬送される間に、加熱槽２内を流れている予熱炉９からの加熱ガスおよび自身の発生する乾留ガスの燃焼によって加熱されて炭化される。第１接続シュート１２には温度検出器１５が設けられ、スクリューコンベヤ３から第２段のスクリューコンベヤ４へ送られる被炭化物の材料温度を測定する。この材料の温度の上昇程度を知ることによって加熱程度を知ることができる。なお、スクリュ−コンベヤ３，４，５，６は個々に駆動モ−タを設け、変速可能としてもよい。
【００１２】
第２段のスクリューコンベヤ４は、一端側で第１接続シュート１２に接続し他端側で第２接続シュート１６に接続され、第２接続シュート１６を介して第３のスクリューコンベヤ５に接続されている。スクリューコンベヤ４は、複数個の乾留ガス吹出し口４ａを設けたトラフと回転軸１７とこれに設けられた羽根からなり、本実施形態では、この回転軸１７には伝導機構１８が設けられ、伝導機構１８は回転軸１３に連結し、回転軸１３を介して駆動されるようになっている。スクリューコンベヤ４は、スクリューコンベヤ３より搬送量が等しいか小さくなるように、回転数、直径、羽根高さ等を変えるのが好ましい。搬送量を変えてスクリューコンベヤ４内での被炭化物の充填量を増やし、スクリューコンベヤ４壁に接触する量を増やすことによって良く加熱されるようにする。
【００１３】
スクリューコンベヤ４に送られた被炭化物は、一端側から他端側へ送られながら加熱され、他端側で第２接続シュート１６により第３のスクリューコンベヤ５に送られる。第２接続シュート１６には温度検出器１９が設けられ、スクリューコンベヤ４から第３段のスクリューコンベヤ５へ送られる被炭化物の材料温度を測定する。この材料の温度の上昇程度を知ることによって加熱程度を知ることができる。
【００１４】
第３段のスクリューコンベヤ５は、一端側で第２接続シュート１６に接続し、他端側で第３接続シュート２０に接続され、第３接続シュート２０を介して第４のスクリューコンベヤ５に接続されている。スクリューコンベヤ５は、複数個の乾留ガス吹出し口５ａを設けたトラフと回転軸２１とこれに設けられた羽根からなり、本実施形態では、この回転軸２１には伝導機構２２が設けられ、伝導機構２２は駆動モータ２３に連結し、駆動モータ２３により回転数が可変に駆動されるようになっている。スクリューコンベヤ５は、スクリューコンベヤ４より搬送量が等しいか小さくなるように、回転数、直径、羽根高さ等を変えるのが好ましい。炭化の進行により嵩が減少した被炭化物の搬送量を変えてスクリューコンベヤ５内での被炭化物の充填量を増やし、スクリューコンベヤ５壁に接触する量を増やすことによって伝熱を良くし、加熱効率をよくする。
【００１５】
スクリューコンベヤ５に送られた被炭化物は、一端側から他端側へ送られながら加熱され、他端側で第３接続シュート２０により第４のスクリューコンベヤ６に送られる。第３接続シュート２０には温度検出器２４が設けられ、スクリューコンベヤ５から第４段のスクリューコンベヤ６へ送られる被炭化物の材料温度を測定する。この材料の温度の上昇程度を知ることによってスクリューコンベヤ５での加熱程度を知ることができる。
【００１６】
第４段のスクリューコンベヤ６は、一端側で第３接続シュート２０に接続し、他端側に被炭化物の排出口２５が設けられている。スクリューコンベヤ６は、複数個の乾留ガス吹出し口６ａを設けたトラフと回転軸２６とこれに設けられた羽根からなり、本実施形態では、この回転軸２６には伝導機構２７が設けられ、伝導機構２７は前記第３段のスクリューコンベヤ５を駆動する駆動モータ２３に連結し、駆動モータ２３又は伝導機構２７により回転数が可変に駆動されるようになっている。スクリューコンベヤ６は、スクリューコンベヤ５より搬送量が等しいか小さくなるように、回転数、直径、羽根高さ等を変えるのが好ましい。炭化の進行により嵩が減少した被炭化物の搬送量を変えてスクリューコンベヤ６内での被炭化物の充填量を増やし、スクリューコンベヤ６での炭化を効率よく行なわれるようにする。スクリューコンベヤ６で他端側に搬送されながら炭化された炭化物（製品）は、排出口２５から排出され、製品取出機３０により製品として取り出される。排出口２５近辺には温度検出器２８が設けられ、最終段のスクリューコンベヤ６から排出される炭化物の材料温度を測定する。
【００１７】
加熱槽２は、外殻のケーシングの内側に断熱材が設けられ、内部にスクリューコンベヤ３、４、５、６が配置され、約４００〜９００℃の予熱炉出口ガスにより加熱される。加熱槽２に開口して、吹込気体供給管１０に連結した複数個の吹込開口３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａが設けられている。本実施形態では、加熱槽２の前面壁の吹込開口３３ａ，３５ａと後面壁の吹込開口３２ａ，３４ａ及び隣接する上下方向の段の吹込開口、例えば、３２ａと３３ａ，３４ａと３５ａとは千鳥配列としている。また、加熱槽２の吹込開口３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａへ供給する気体は、供給管１０に設けた調節弁３６により制御する。
【００１８】
各気体吹込開口３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａは、図３に示すように、下方に向けて気体を噴射し、加熱槽２内での気体の滞留を良くすると共に撹拌が良好に行なえるようにしている。
なお、吹込開口の形状、寸法、配置等は、一定でもよいし、変えてもよい。また、開口の吹込方向を、上下方向の段毎に変えたり、左右方向で変えてもよい。加熱ガスと吹込気体との進行方向を交差するようにすると、攪拌をより良く行なうことができる。各吹込開口３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａへ供給する気体を調節弁３６で制御しているが、各吹込開口ごと若しくは吹込開口をグループ分けしてグループごとに制御するようにしてもよい。
【００１９】
加熱槽２の排気を処理する再燃焼炉１１は、加熱槽２と排気路４１で連通され、排気路４１には温度検出器４２、圧力検出器４３が設けられている。加熱槽２の排気温度は温度検出器４２で測定され、圧力は圧力検出器４３で測定され、図示されていない排気側設備で調節されるようになっている。
再燃焼炉１１は、所定の温度で加熱槽２の排気を処理するように加熱装置が設けられている。また、再燃焼炉１１には、圧力を逃がす爆発口、処理排気を排気する排気路４５を設けると共に、停止時の熱気逃し路４６を設けている。酸素濃度検出器４７及び温度検出器４８を排気路４５に設け、再燃焼炉１１で排気の浄化を所要の条件でできるようにしている。
【００２０】
製品取出機３０には、冷却缶５０が設けられ、冷却缶５０に冷却水供給管５１が連結され、排出口２５から排出された炭化物を製品取出機３０で搬送中に冷却し、冷却製品を得るようにしている。冷却缶５０から排出された使用水は、排水管５２により、再使用のための冷却装置、又は排水するための処理もしくはそのまま排水するために排水部に送られる。
【００２１】
以下に、上記構成からなる炭化炉により、被炭化物として乾燥汚泥を炭化する方法について説明する。
先ず、加熱槽２を予熱炉９で熱風を発生させて、その熱風で加熱して所定の温度に昇温する。予熱炉９から加熱槽２へ送る入口ガス温度は温度検出器２９により測定して予熱炉バ−ナ５３を操作して調節し、加熱槽２から出る出口排ガス温度は温度検出器４２により測定する。加熱槽２の排気は再燃焼炉１１を経て排気路４５を通して、必要設備に送る。必要ならば、排気の温度は温度検出器４８により測定して再燃焼炉バ−ナ５４を操作して調節し、排気中の酸素濃度は酸素濃度検出器４７で測定する。
【００２２】
所定の温度に昇温したら、ホッパー７の乾燥汚泥を汚泥供給装置８を運転して所定の供給速度で供給する。スクリューコンベヤ３で加熱槽２中を搬送しつつ加熱し、第１接続シュート１２を介してスクリューコンベヤ４に移送する。スクリューコンベヤ３で加熱された被炭化物の温度を温度検出器１５で測定する。同様にして、スクリューコンベヤ５、スクリューコンベヤ６と順次搬送しつつ加熱して炭化し、製品取出機３０に搬送する。冷却水を冷却缶５０に供給して炭化物を冷却し、燃焼の危険をなくしてから製品を取り出す。
スクリューコンベヤ６の出口で炭化物の出口温度を温度検出器２８により測定する。この温度に基づいて予熱炉９から加熱槽２へ送る入口ガス温度、風量等を調節する。
【００２３】
次に、制御方法について説明する。
炭化の進行による被炭化物（材料）の体積変化に合わせて各段スクリューコンベヤ３、４、５、６の搬送量をそれぞれ操作し、充填率を適性値に維持する方法について説明する。ここで、汚泥供給装置８、スクリューコンベヤ３，４，５，６のスクリュー径、ピッチ、１回転当りの搬送容積は同じとする。又、各スクリュ−コンベヤは個々に駆動モ−タを有し、変速可能としている。泥供給装置８での材料の体積比を１．０、スクリュー回転比を１．０、充填率を１００％とし、スクリューコンベヤ３出口の材料体積比が０．８、スクリューコンベヤ４出口の材料体積比が０．７、スクリューコンベヤ５出口の材料体積比が０．６、スクリューコンベヤ６出口の材料体積比が０．５となる材料であるとする。この場合の各段の制御スクリュー回転数比と達成充填率との関係を表１に示す。
材料搬送量をこの表の、スクリューの回転数比により変えることにより、スクリューで運ばれる材料の充填率を高くし、材料の加熱効率を向上することができる。なお、炭化途中で体積が増加する材料に関しては、スクリュ−回転比を１以上として良い。
【００２４】
【表１】

【００２５】
さらに、加熱槽２、スクリューコンベヤ速度及び温度をファジィ制御する方法を説明する。まず、スクリューコンベヤ３〜６の速度の速度制御を被炭化物または炭化物の温度でファジィ制御する方法を説明する。いま、スクリューコンベヤ６の出口の炭化物の温度が４５０℃を適温とする。スクリューコンベヤ速度と出口の被炭化物温度との関係を図５に示し、３段目のスクリューコンベヤ５出口と最終段のスクリューコンベヤ６出口のファジィ集合のメンバーシップ関数をそれぞれ図６、図７にそれぞれ示し、スクリューコンベヤ３〜６の速度のファジィ制御方法を表２に示す。
【００２６】
【表２】

【００２７】
スクリュ−コンベヤ出口被炭化物温度を正に大きい（ＰＬ）、ほとんど適正（ＺＲ）、負に大きい（ＮＬ）と分類した場合、スクリューコンベヤの速度制御を被炭化物の体積変化に加えて各段スクリューコンベヤ出口の被炭化物温度でスクリューコンベヤの速度を制御することで、品質の均一化と高品質化を図ることができる。さらに、この表２に示すファジィ制御によりスクリューコンベヤ速度を制御すると、ワンル−プ制御では困難なきめ細かい制御ができ、品質の均一化と高品質化を図ることができる。
【００２８】
つぎに、被炭化物の材料の水分をファジィ制御する方法は、製品温度及び加熱槽出口排ガス温度のメンバーシップ関数が図７、図８に示すようになっているとすると、スクリューコンベヤ最終段出口の炭化物温度と炭化炉出口排ガス温度
との関連で表３に示すような関係で制御することになる。
【００２９】
【表３】

【００３０】
加熱槽入口ガス温度を制御するには、メンバーシップ関数として図７、図８、図９に示すように、最終段炭化物温度、加熱槽出口排ガス温度及び加熱槽入口ガス温度についてのものであるとすると、加熱槽の入口ガス温度を負に大きい（ＮＬ）、ほとんど適正（ＺＲ）、正に大きい（ＰＬ）と分類した場合に対応してのファジィ制御をそれぞれ表４、表５、表６に示す。なお、この制御は遠隔設定値変更により、予熱炉バ−ナ５３を操作して行なう。
【００３１】
【表４】

【００３２】
【表５】

【００３３】
【表６】

【００３４】
上記したようにファジィ制御によれば、要素を多くしてもそれに相応の制御をすることができ、きめ細かい制御ができる。その結果、運転状態が安定し、製品の品質が均一になり、高品質の製品を得ることができる。
【００３５】
なお、上記説明において、ファジィ制御でスクリューコンベヤ搬送速度、加熱槽入口ガス温度等を制御する例を説明したが、これに限られるものでなく、ＰＩＤ制御によっても被炭化物の温度により、スクリューコンベヤ搬送速度を操作し、炭化物の温度を制御することによって炭化状態の調整をすることができる。多入力のファジィ制御とすることにより、この効果を一層良好にすることができるのである。また、度合いをＰＬ，ＺＲ，ＮＬの３つに分類したがもっと多い分類としてもよい。また、加熱槽の吹き込み気体として空気を吹き込んで、被炭化物からの発生ガスが燃焼する例で示したが、燃焼ガス、窒素ガス等の不活性のガスを吹き込んでもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本願発明のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、少なくとも最終段又はその前段のスクリューコンベヤから排出される、前記被炭化物の温度を測定して、その測定値に応じてスクリューコンベヤの搬送速度を調節するようにしたので、安定した運転により品質のばらつきが小さい均一な炭化物を得ることができ、加熱
効率を良くして設備を小型化することができる。さらに、最終段のスクリューコンベヤから排出される被炭化物の温度と、加熱槽から排出される排ガスの温度に応じて加熱槽に吹き込む熱風温度を調節するので、運転状態が一層安定し、製品の温度を一定にできるから、品質をより一定にできる。
【００３７】
請求項２のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、各調節方法をファジィ制御により行なうので、一層きめ細かな制御ができる結果、一層前記効果を良好にすることができる。
請求項３のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、スクリューコンベヤの搬送速度を被炭化物の乾燥・炭化の進行状態による体積変化に応じて調節するので、被炭化物の加熱を効率よく行なえるから、装置を小型にでき、製品の品質をよくすることができる。
請求項４のスクリュー式炭化炉による炭化方法は、加熱槽内に側壁から気体を吹き込んで該加熱槽内の燃焼ガスを攪拌するので、排ガス処理装置を小型にできる結果、設備全体を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明に係るスクリュー式炭化炉による炭化方法を説明する炭化炉の概略構成図である。
【図２】 被炭化物の搬送部を説明するための構成図である。
【図３】 加熱槽の気体吹き込み口部を示す断面図である。
【図４】 制御装置の制御フロ−を示すブロック図である。
【図５】 各スクリューコンベヤ速度と各スクリューコンベヤ出口温度との関係を示すグラフである。
【図６】 ３段スクリューコンベヤ出口の被炭化物温度のメンバーシップ関数を示すグラフである。
【図７】 ４段スクリューコンベヤ出口の炭化物温度のメンバーシップ関数を示すグラフである。
【図８】 加熱槽の出口ガス温度とメンバーシップ関数を示すグラフである。
【図９】 加熱槽の気体吹き込み温度とメンバーシップ関数を示すグラフである。
【符号の説明】
１：スクリュー式炭化炉 ２：加熱槽
３，４，５，６：スクリューコンベヤ
７：ホッパー ８：汚泥供給装置 ９：予熱炉
１０：吹込気体供給管 １１：再燃焼炉 １２：第１接続シュート
１３：回転軸 １４：駆動モータ １５：温度検出器
１６：第２接続シュート １７：回転軸 １８：伝導機構
１９：温度検出器 ２０：第３接続シュート ２１：回転軸
２２：伝導機構 ２３：駆動モータ ２４：温度検出器
２５：排出口 ２６：回転軸 ２７：伝導機構
２９：温度検出器 ３０：製品取出機
３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａ：吹込開口 ３６：調節弁
４１：排気路 ４２：温度検出器 ４３：圧力検出器
４４：熱風逃し路 ４５：排気路 ４６：熱風逃し弁
４７：酸素濃度検出器 ４８：温度検出器
５０：冷却缶 ５１：冷却水供給管 ５２：排水管
５３：予熱炉バ−ナ ５４：再燃焼炉バ−ナ

Claims (4)

1. 加熱槽内に略水平に設けられた乾留ガス吹出し口を有する複数のスクリューコンベヤ内を被炭化物を搬送しながら加熱して炭化する炭化方法であって、少なくとも最終段又はその前段のスクリューコンベヤから排出される炭化物又は前記被炭化物の温度と、前記加熱槽から排出される排ガスの温度を測定し、前記炭化物又は前記被炭化物の温度に応じて各スクリューコンベヤの搬送速度を前記炭化物又は前記被炭化物の搬送量が前段と等しいか少なくなるように調節すると共に、前記炭化物の温度と、前記加熱槽から排出される前記排ガスの温度に応じて前記加熱槽に吹き込む熱風温度を調節することを特徴とするスクリュー式炭化炉による炭化方法。
2. 前記各調節方法をファジィ制御により行なう請求項１に記載のスクリュー式炭化炉による炭化方法。
3. 前記スクリューコンベヤの搬送速度を被炭化物の乾燥・炭化の進行状態による体積変化に応じて調節する請求項１又は２に記載のスクリュー式炭化炉による炭化方法。
4. 前記加熱槽内に側壁から気体を吹き込んで該加熱槽内の燃
   焼ガスを攪拌する請求項１〜３に記載のスクリュー式炭化炉による炭化方法。

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