JP6088354B2 - ガス燃焼器の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料としてガスを用いるガス燃焼器の設計方法に関する。

燃料ガスとして炭化水素系の燃料ガスを用いるガス燃焼器は広く用いられており、また、近年になり、燃焼させても水しか生成せず、炭化水素系燃料と比べて温室効果ガスを発生しないことから、水素ガスを燃料ガスとして用いるガス燃焼器も提案されている。また、これらのガス燃焼器において、燃焼排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を低減することも課題となっており、いくつかの提案がされている。

例えば、特許文献１では、濃淡予混合燃焼を利用したガス燃焼器において、複数の第１および第２のバーナーをもってバーナー群を構成し、燃焼時、第１または第２のバーナーに対する燃焼量を段階的に変更可能にするとともに、前記第１のバーナーの火炎に対して前記第２のバーナーの火炎を種火として機能させるようにすることで、低ＮＯｘを可能としたガス燃焼器が提案されている。特許文献２には、燃料領域を著しく増やすことによって、拡散燃焼の従来のバーナーと比べてＮＯｘ発生を大幅に減らすことができるようにした、水素を拡散燃焼する方法とこの方法を実施するためのバーナーが提案されている。特許文献３には、水素の拡散燃焼において、炎口間隔を適切に設定することで、ＮＯｘ濃度を所望の値以下にするようにした水素燃焼装置が提案されている。

特開平１０−６８５０７号公報 特開平９−１７８１２８号公報 特開２０１２−３２０８４号公報

従来のガス燃焼器においては、発生するＮＯｘ濃度を低減するために、バーナーを構造的にどのように改良すべきか、また、燃焼火炎をどのように設定すべきか、について提案がなされかつ実行されており、低ＮＯｘガス燃焼器として有効に利用されている。

一方、ガス燃焼器を使用する環境に応じて、燃焼時に許容される最大ＮＯｘ濃度が異なる場合があり、また、一般に、利用者側で当該ガス燃焼器に求める最大燃焼量も異なっている。それで、許容最大ＮＯｘ濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した火炎存在領域を持つガス燃焼器を得ることができれば、そのガス燃焼器は、発生するＮＯｘ濃度を低減する観点からより有効なガス燃焼器となると考えられるが、そのような観点からのガス燃焼器の設計方法は提案されていない。

本発明は、上記の観点からなされたものであり、許容最大ＮＯｘ濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した火炎存在領域を持つガス燃焼器を容易に設計することのできるガス燃焼器の設計方法を開示することを課題とする。

本発明者らは、ガス燃焼器に使用する燃料ガスは、その種類ごとに、燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との間に固有の相関曲線Ｋを有していることに着目し、その固有の相関曲線Ｋを利用することで、許容最大ＮＯｘ濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した火炎存在領域を持つガス燃焼器を容易に設計できることを知見し、本発明をなすに到った。

すなわち、本発明によるガス燃焼器の設計方法は、使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との相関曲線Ｋを求める行程と、得ようとするガス燃焼器での所望の最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）と最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）を設定する行程と、前記相関曲線Ｋを用いて前記最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）を求める行程と、を備え、燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／火炎存在領域Ｓから、火炎存在領域Ｓ＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）であることを用い、最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）／最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）の値となるように当該ガス燃焼器の火炎存在領域Ｓを設定することを特徴とする。

本発明による設計方法で製造される火炎存在領域Ｓを備えたガス燃焼器では、予め設定した最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）以下の燃焼量で運転すれば、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ濃度は、そのガス燃焼器の使用環境で許容される最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）を超えることはなく、環境に優しいガス燃焼器となる。

本発明において、使用する燃料ガスの種類に制限はなく、水素ガスであってもよく、炭化水素系の燃料ガスであってもよい。燃焼方法も、拡散燃焼であってもよく、予混合燃焼であってもよい。

なお、本発明において、「火炎存在領域Ｓ」とは、炎口に形成される火炎の全体を平面視したときに、火炎の外縁によって形成される領域をいっており、燃焼器が複数個の炎口を等しい密度で分布しているものにあっては、最も周縁に位置する火炎の外縁を結ぶ仮想線によって囲まれる領域をいっている。

本発明によるガス燃焼器の設計方法のより具体的な態様は、２本以上の噴射管が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管には等間隔に２個以上の炎口が形成されているガス燃焼器を設計する方法であって、前記炎口の間隔をＡ（ｃｍ）、噴射管１本当たりの炎口数をＢ、噴射管の間隔をＣ（ｃｍ）、噴射管の本数をＤとし、火炎存在領域Ｓ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄと定義するとともに、（ａ）使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との相関曲線Ｋを得る行程と、（ｂ）得ようとするガス燃焼器での所望の最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）と最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）を設定する行程と、（ｃ）前記相関曲線Ｋを用いて最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）を求める行程と、を備え、燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／火炎存在領域Ｓから、火炎存在領域Ｓ＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）であることを用い、最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）／最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）の値が前記火炎存在領域Ｓとなるように、前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値を設定することを特徴とする。

上記の設計方法で製造された前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで定義される矩形状の火炎存在領域Ｓを備えたガス燃焼器において、予め設定した最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）以下の燃焼量で運転すれば、燃焼排ガスに含まれるＮＯｘ濃度は、そのガス燃焼器の使用環境で許容される最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）を超えることはなく、環境に優しいガス燃焼器となる。

上記の設計方法で製造されたガス燃焼器において、１つの火炎が必要以上に大きくなる、あるいは隣接する炎口に形成される火炎同士が合体すると、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度が高くなる恐れがある。そのために、火炎をできるだけ小さくすること、また各々の炎口に形成される火炎が、隣接する炎口に形成される火炎と独立する状態に、炎口の径および各炎口間の間隔を設定することが望ましい。実際のガス燃焼器の設計に当たっては、実験をとおして、燃料ガスの種類や所要の火炎存在領域Ｓに対応した最適の炎口の間隔：Ａ（ｃｍ）、噴射管１本当たりの炎口数：Ｂ、噴射管の間隔：Ｃ（ｃｍ）、噴射管の本数：Ｄ、炎口径：Ｅの値を設定することとなるが、本発明者らの実験では、使用する燃料ガスが水素であり、炎口径：Ｅが好ましは０．０３ｃｍ以下であって、炎口の間隔：Ａが０．６３ｃｍ以上、噴射管の間隔：Ｃが０．９５ｃｍ以上の値を用いることにより、小型の火炎を形成することができ、ＮＯｘの発生を効果的に抑制できることを知った。

従って、前記炎口の間隔をＡ（ｃｍ）、噴射管１本当たりの炎口数をＢ、噴射管の間隔をＣ（ｃｍ）、噴射管の本数をＤとし、火炎存在領域Ｓ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄと定義するようにした上記のガス燃焼器の設計方法において、小型の火炎を形成すること、さらに使用する燃料ガスが水素の場合には、炎口径が０．０３ｃｍ以下、炎口の間隔Ａとして０．６３ｃｍ以上、噴射管の間隔Ｃとして０．９５ｃｍ以上の値を用いることは、好ましい態様となる。

本発明の設計方法を用いることにより、許容最大ＮＯｘ濃度と所望の最大燃焼量に応じて、それに対応した所要の火炎存在領域を持つガス燃焼器を容易に設計することができるようになる。

使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との相関曲線Ｋの一例を示すグラフ。 燃焼器の一例とその火炎存在領域を説明する図。 炎口の間隔の違いにより隣接する火炎が合体した状態（ａ）と合体しない状態（ｂ）を示す写真。 噴射管の間隔の違いにより隣接する火炎が合体した状態（ａ）と合体しない状態（ｂ）を示す写真。

以下、本発明によるガス燃焼器の設計方法を実施の形態に基づき説明する。

（１）最初に、使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との相関曲線Ｋを求める。具体的には、１個または複数個の炎口を備えた１本または複数本の噴射管を用意し、燃料ガスの燃焼量Ｑ（燃料ガスの噴出流速）を変化させて燃焼を行い、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度を測定し、それを用いて、図１に示すようなグラフを作成する。

なお、ここで、燃焼量Ｑ：燃焼器に供給する燃料量、燃焼面積Ｓ：燃焼器において燃焼火炎が形成される面積、燃焼負荷Ｘ：Ｘ＝Ｑ／Ｓ（すなわち、単位燃焼面積あたりの燃焼量）、ＮＯｘ濃度Ｙ：燃焼排ガス単位体積当たりに含まれるＮＯｘの量、を意味するものとし、図１に示すグラフにおいて、ＮＯｘ濃度Ｙは、燃焼排ガスをサンプリングして分析し、ＮＯｘと同時に計測している酸素濃度から、下記換算式（式１）により、Ｏ_２＝０％換算することで算出した。
換算式：ＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ：Ｏ_２＝０％）＝ＮＯｘ濃度（ｐｐｍ）×２１／（２１−Ｏ_２濃度（％））：式１

（２）次に、得ようとするガス燃焼器での所望の最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）と最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）を設定する。一例として、最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）を２３ｐｐｍ、最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）を３５０Ｗと設定する。

（３）次に、前記相関曲線Ｋを用いて前記最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）（２３ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）を求める。ここでは、前記燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）は２４．５（Ｗ／ｃｍ^２）とする。

（４）次に、燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）は燃焼量Ｑ（Ｗ）／火炎存在領域Ｓであることから、火炎存在領域Ｓは燃焼量Ｑ（Ｗ）／燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と表すことができるので、この式を用い、最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）（３５０Ｗ）／最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）（２３ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）（２４．５（Ｗ／ｃｍ^２）の値となるように当該ガス燃焼器の火炎存在領域Ｓを設定する。

（５）そのようにして設定された火炎存在領域Ｓを備えたガス燃焼器は、前記した最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）（３５０Ｗ）以下の燃焼量で運転すれば、予め設定した最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（２３ｐｐｍ）以下での運転が可能となる。

（６）一つの例として、設計しようとするガス燃焼器１が、図２に示すように、２本以上の噴射管（図示のものでは４本の噴射管）２が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管２には等間隔に２個以上の炎口（図示のものでは１０個の炎口）３が形成されているガス燃焼器１である場合、前記炎口３の間隔をＡ（ｃｍ）、噴射管２の１本当たりの炎口数をＢ、噴射管２の間隔をＣ（ｃｍ）、噴射管２の本数をＤとし、その火炎存在領域Ｓを、Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄとして定義した場合、図２に示す形態のガス燃焼器１においては、前記最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）（３５０Ｗ）／最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）（２３ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）（２４．５（Ｗ／ｃｍ^２）の値となるように、前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値を適宜選択して火炎存在領域Ｓを設定することで、所期のガス燃焼器を得ることができる。

以下、実施例により本発明を説明する。

（１）相関曲線Ｋの設定
燃料ガスとして水素を用い、直径が０．０３ｃｍである炎口を０．６３ｃｍ間隔で６個形成した噴射管を用い、燃焼量Ｑ（水素の噴出流速）を弱火から強火まで複数に変化させて燃焼を行った。燃焼量ごとに前記式１によりＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ：Ｏ_２＝０％）を測定し、それを連続した曲線として結ぶことで、図１に示す燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との相関曲線Ｋを得た。なお、燃焼は常温、大気圧で行い、空気は自然対流で供給されるようにした。実験において、形成される火炎はすべての燃焼量において、分割された小型の火炎であり、隣接する火炎同士が合体することはなかった。

（２）最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）と最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）の設定
下記の表１に示すように最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）と最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）を設定した。

（３）次に、燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／火炎存在領域Ｓであり、火炎存在領域Ｓ＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）であることから、各実施例について、最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）／最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）を求め、その値となるように火炎存在領域Ｓ（ｃｍ^２）を演算した。その結果を表１に示した。

（４）ガス燃焼器の設計
ガス燃焼器として、２本以上の噴射管が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管には等間隔に２個以上の炎口が形成されているガス燃焼器を設計するものとし、炎口の間隔をＡ（ｃｍ）、噴射管１本当たりの炎口数をＢ、噴射管の間隔をＣ（ｃｍ）、噴射管の本数をＤとし、火炎存在領域Ｓ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄと定義した。そして、実施例１〜３については、火炎存在領域Ｓを満足するものとして、炎口径：Ｅが０．０３ｃｍ、炎口の間隔：Ａが０．６３ｃｍ、噴射管１本当たりの炎口数：Ｂが６個、噴射管の間隔：Ｃが０．９５ｃｍ、噴射管の間隔：Ｄが４本とした燃焼器を設計した。また、実施例４〜６については、炎口径：Ｅが０．０３ｃｍ、炎口の間隔：Ａが０．６３ｃｍ、噴射管１本当たりの炎口数：Ｂが１４個、噴射管の間隔：Ｃが０．９５ｃｍ、噴射管の本数：Ｄが２４本とした燃焼器を設計した。

（５）実施例１〜６について得たガス燃焼器を用いて、設定した最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）での燃焼実験を行い、実際に発生したＮＯｘ量を測定した。その結果を表１に示した。

（６）考察
表１に示すように、本発明の設計方法によって設計されたガス燃焼器は、設定した最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）で燃焼させた場合でも、燃焼排ガス中のＮＯｘ濃度は、予め設定した最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）を超えることはなかった。このときの火炎の状態は、図３（ｂ）や図４（ｂ）のように、各々の炎口に形成される火炎が、隣接する炎口に形成される火炎と独立する状態であった。炎口径と燃料の種類が影響する拡散の特性時間が、火炎の炎口径に対する長さとそこを通過する燃料の流速が影響する反応の特性時間より短い場合には、小型の火炎により火炎温度が必要以上に高温になるのを避けることができ、ＮＯｘ低減することが可能となる。このことは、使用環境等から要請されるＮＯｘ排出量規制に適合したガス燃焼器を、本発明による設計方法に従うことにより、容易にかつ確実に設計製造できることを示している。

（７）他の実施例
（７−１）炎口の間隔をＡ（ｃｍ）について、
実施例１〜６について、燃焼時における火炎の状態を噴射管の長い方向の側面から観察した。その最大燃焼量時での写真を図３（ｂ）に示した。各火炎は小さく、それぞれ独立しており、隣接する火炎が合体するのは観察されなかった。比較として、火炎存在領域Ｓの値は変えることなく、炎口の間隔をＡ（ｃｍ）を０．６３ｍｍから０．５０ｍｍとしたものを用いて燃焼実験を行ったところ、図３（ａ）に示すように、隣接する火炎が合体する現象が見られた。火炎が合体すると火炎長や炎口径の大きい１つの火炎が形成されたと考えられるから、高温部が形成されやすく、ＮＯｘ濃度が増加する可能性がある。このことから、本実施例において、炎口の間隔Ａを０．６３ｃｍ以上とすることは、ＮＯｘ濃度を増加させない観点から、好ましいことがわかった。

（７−２）噴射管の間隔Ｃ（ｃｍ）について、
実施例１〜６について、燃焼時における火炎の状態を斜め上方から見て観察した。その最大燃焼量時での写真を図４（ｂ）に示した。各噴射管の火炎は小さく、それぞれ独立しており、また、隣接する噴射管の火炎同士が合体するのは観察されなかった。比較として、火炎存在領域Ｓの値は変えることなく、噴射管の間隔Ｃ（ｃｍ）を０．９５ｍｍから０．６３ｍｍとしたものを用いて燃焼実験を行ったところ、図４（ａ）に示すように、隣接する噴射管の火炎同士が合体する現象が見られた。火炎が合体すると火炎長や炎口径の大きい１つの火炎が形成されたと考えられるから、高温部が形成されやすく、ＮＯｘ濃度が増加する可能性がある。このことから、本実施例において、噴射管の間隔Ｃ（ｃｍ）を０．９５ｍｍ以上とすることは、ＮＯｘ濃度を増加させない観点から、好ましいことがわかった。

（７−３）炎口径Ｅについて、
実施例１〜６について、火炎存在領域Ｓの値は変えることなく、炎口径Ｅを変化させた場合、（６）考察で言及した通り、拡散の特性時間が反応の特性時間よりも短くなるような燃焼量の範囲であれば、ＮＯｘ排出を抑制できることが予想される。従って、本実施例において、炎口径Ｅを０．０３ｃｍ以下に設定して、小型の火炎を形成することは、より好ましい態様となる。

１…ガス燃焼器、
２…噴射管、
３…炎口。

Claims (4)

1. 使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との相関曲線Ｋを求める行程と、
   得ようとするガス燃焼器での所望の最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）と最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）を設定する行程と、
   前記相関曲線Ｋを用いて前記最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）を求める行程と、を備え、
   燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／火炎存在領域Ｓから、火炎存在領域Ｓ＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）であることを用い、最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）／最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）の値となるように当該ガス燃焼器の火炎存在領域Ｓを設定することを特徴とするガス燃焼器の設計方法。
2. ２本以上の噴射管が平行かつ等間隔に配置されており、各噴射管には等間隔に２個以上の炎口が形成されているガス燃焼器を設計する方法であって、
   前記炎口の間隔をＡ（ｃｍ）、噴射管１本当たりの炎口数をＢ、噴射管の間隔をＣ（ｃｍ）、噴射管の本数をＤとし、火炎存在領域Ｓ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄと定義するとともに、
   （ａ）使用する燃料ガスに対応する燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）と発生するＮＯｘ濃度Ｙ（ｐｐｍ）との相関曲線Ｋを得る行程と、
   （ｂ）得ようとするガス燃焼器での所望の最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）と最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）を設定する行程と、
   （ｃ）前記相関曲線Ｋを用いて最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）を求める行程と、を備え、
   燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／火炎存在領域Ｓから、火炎存在領域Ｓ＝燃焼量Ｑ（Ｗ）／燃焼負荷Ｘ（Ｗ／ｃｍ^２）であることを用い、最大燃焼量Ｑａ（Ｗ）／最大ＮＯｘ濃度Ｙａ（ｐｐｍ）に対応する燃焼負荷Ｘａ（Ｗ／ｃｍ^２）の値が前記火炎存在領域Ｓとなるように、前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの値を設定することを特徴とするガス燃焼器の設計方法。
3. 使用する燃料ガスが水素であり、炎口の間隔Ａとして０．６３ｃｍ以上、噴射管の間隔Ｃとして０．９５ｃｍ以上の値を用いることを特徴とする請求項２に記載のガス燃焼器の設計方法。
4. 炎口径が０．０３ｃｍ以下の値を用いることを特徴とする請求項３に記載のガス燃焼器の設計方法。

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