JP6629050B2 - 反応炉 - Google Patents

Description

本発明は、反応炉に関する。

従来の反応炉として、底壁面に設けられた気体供給部より気体を供給し、流動物の流動状態を形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。反応炉の底部には、複数のノズルが設けられ、各ノズルの向きの調整が行われることによって流動物の流動状態が形成されている。

特開平８−４９８２７号公報

上述したような反応炉では、底部において反応炉の側面に沿って流動物が下降するダウンフローが生じる場合がある。このようなダウンフローが底壁面に設けられた気体供給部に衝突することにより、気体供給部に摩耗、損耗が生じる場合があった。

本発明は、底壁面に設けられた気体供給部の摩耗、損耗を抑制できる反応炉を提供することを目的とする。

本発明に係る反応炉は、底壁面に設けられた気体供給部より気体を供給し、流動物の流動状態を形成する反応炉において、反応炉の下部に設けられ、反応炉壁面を防護する防護材と、防護材が設けられた反応炉壁面から反応炉の内部に向けて突出した突出部と、を備え、突出部の上端面は水平方向に沿って延びている。

本発明に係る反応炉は、防護材が設けられた反応炉壁面から反応炉の内部に向けて突出した突出部を備えている。また、突出部の上端面は水平方向に沿って延びている。反応炉壁面に沿って下方へ流れる流動物のダウンフローは、底壁面に設けられた気体供給部と衝突する手前において、突出部の上端面と衝突する。これによって、流動物のダウンフローは、気体供給部の手前で拡散及び動圧低減する。以上により、底壁面に設けられた気体供給部の摩耗、損耗を抑制できる。

本発明に係る反応炉において、突出部における反応炉の内部へ向かう方向の厚みは反応炉壁面を防護する防護材の厚みよりも厚くてよい。これによって、流動物のダウンフローを拡散及び動圧低減するために、十分な広さの上端面を確保することができる。

本発明に係る反応炉において、突出部は防護材と一体的に構成されていてよい。これによって、成形型によって防護材を形成する際に同時に突出部を形成することができる。

本発明に係る反応炉において、突出部は底部から上端面に至るまで連続的に形成されていてよい。これによって、突出部の上端面で拡散したダウンフローが、突出部の下方へ回りこむ事を抑制できる。

本発明に係る反応炉において、上端面には、流動物が堆積することによって堆積部が形成され、突出部の上端面の高さは、堆積部が安息角にある時の上面を延長した仮想線が、最も反応炉壁面側に配置される気体供給部の上方を通過するように設定される。これによって、上端面で拡散した際に、堆積部が安息角にある時の上面に沿って斜め下方へ流れるダウンフローが、最も反応炉壁面側に配置される気体供給部に衝突することを抑制できる。従って、気体供給部の摩耗、損耗を抑制できる。

本発明によれば、底壁面に設けられた気体供給部の摩耗、損耗を抑制できる。

本発明の実施形態に係る気体ノズルの取付構造が適用される循環流動層ボイラの構成を示す図である。 図１の循環流動層ボイラにおける反応炉の下部を示す概略断面図である。 図２を上から見た概略断面図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 図３に示すＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図４及び図５における突出部周辺の拡大図である。 比較例に係る反応部の拡大図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照し、本実施形態の気体ノズルの取付構造が適用される循環流動層ボイラの構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る気体ノズルの取付構造が適用される循環流動層ボイラの構成を示す図である。図１に示すように、循環流動層ボイラ２は、縦長の筒形状をなす流動層型の反応炉３を備えている。反応炉３の中間部には、燃料を投入する燃料投入口３ａが設けられ、上部には燃焼ガスを排出するガス出口３ｂが設けられている。燃料投入装置５からこの反応炉３に供給される燃料は、燃料投入口３ａを介して反応炉３の内部に投入される。

反応炉３のガス出口３ｂには固気分離装置として機能するサイクロン７が接続されている。サイクロン７の排出口７ａはガスラインを介して後段のガス処理系に接続されている。また、サイクロン７の底部出口からはダウンカマーと称されるリターンライン９が下方に延びており、リターンライン９の下端は反応炉３の中間部側面に接続されている。

反応炉３は、その内部に燃焼室４を有した火炉として構成されている。燃焼室４では、後述する反応炉３の底部から導入される燃焼・流動用の気体（例えば、空気）により、燃料投入口３ａから投入された燃料を含む固形物（以降の説明において「流動物」と称する場合がある）が流動し、燃料は流動しながら約８００〜９００℃で燃焼する。サイクロン７には、燃焼室４で発生した燃焼ガスが固体粒子を同伴しながら導入される。サイクロン７は、遠心分離作用により固体粒子と気体とを分離し、分離された固体粒子をリターンライン９を介して燃焼室４に戻すと共に、固体粒子が除かれた燃焼ガスを排出口７ａからガスラインを通じて後段のガス処理系に送出する。

この燃焼室４では、燃焼灰が発生し底部に溜まる。このため、反応炉３では、底部の排出口３ｄから燃焼灰が定期的に外部に排出されている。

上記のガス処理系は、サイクロン７の排出口７ａにガスラインを介して接続されたガス熱交換装置１３と、このガス熱交換装置１３の排出口１３ａにガスラインを介して接続されたバグフィルタ（集塵器）１５とを備えている。ガス熱交換装置１３には、排ガスの流路を横切るように水を流動させるボイラチューブ１３ｂが設けられている。サイクロン７から送られた高温の排ガスがこのボイラチューブ１３ｂに接触することで、排ガスの熱がチューブ内の水に回収され、発生した高温の水蒸気がボイラチューブ１３ｂを通じて発電用のタービンに送られる。バグフィルタ１５は、この可燃性ガスに未だ同伴している飛灰等微粒子を除去する。バグフィルタ１５の排出口１５ａから排出された清浄なガスはガスライン及びポンプ１７を経由して煙突１９から外部に排出される。

続いて、図２及び図３を参照し、本実施形態に係る気体ノズルの取付構造が適用される循環流動層ボイラの反応炉の下部について詳細に説明する。図２は、図１の循環流動層ボイラにおける反応炉の下部を示す概略断面図であり、図３は、図２を上から見た概略断面図である。図２及び図３に示すように、反応炉３は、長手方向に対向する側壁面３ｆ，３ｇと、短手方向に対向する側壁面３ｈ，３ｋと、底壁面３ｅと、を備えている。なお、これらの壁面をまとめて「反応炉壁面」と称する場合がある。また、底壁面３ｅには、燃焼灰を排出するように下方へ延びる排出口３ｄが複数設けられている。

図２に示すように、反応炉３の底壁面３ｅの下側には、風箱２１が設けられている。また、底壁面３ｅの上側には複数の気体配管２３が立設され、燃焼室４に向かって延在している。複数の気体配管２３のそれぞれの上端には複数の気体ノズル２５が連結されている。風箱２１には、燃焼・流動用の気体を導入する供給路２７が設けられている。供給路２７から導入された燃焼・流動用の気体は、風箱２１、気体配管２３及び気体ノズル２５を介して、燃焼室４内全体に均一となるように送り込まれる。

反応炉３の下部には、反応炉壁面を防護する防護材２９が設けられる。具体的には、底壁面３ｅの上側には防護材２９Ａが設けられ、排出口の表面を覆うように防護材２９Ｂが設けられ、側壁面３ｆ，３ｇの内部側の表面を覆うように防護材２９Ｃ，２９Ｄが設けられ、側壁面３ｈ，３ｋの内部側の表面を覆うように防護材２９Ｅ，２９Ｆが設けられる。

気体配管２３は、反応炉３の底壁面３ｅに立設され、防護材２９Ａを上方へ向かって延びている。気体配管２３の周囲は、防護材２９Ａに覆われている。気体配管２３の上端に連結されている気体ノズル２５は、一部または全部が防護材２９Ａに覆われることなく露出し、燃焼室４に向かって突出している。気体ノズル２５は、排出口３ｄへ近づくに従って、一段低い位置に配置されるように、階段状に配置される。これに伴い、防護材２９Ａも階段状に形成される（図４及び図５も参照）。気体ノズル２５における気体を燃焼室４内へ送り込む噴出口は、排出口３ｄに向かうように配置されている。反応炉３の運転時において、気体ノズル２５から送り込まれる気体は、矢印で示す向きに流れる。なお、矢印で示す方向は、気体ノズル２５が気体を噴出する方向である「噴出方向Ｄ１」と称する場合がある。ただし、排出口３ｄと短手方向に隣り合う領域については、噴出方向（すなわち、排出口３ｄへ向かう方向）が噴出方向Ｄ１と垂直になる。なお、本実施形態では、噴出方向Ｄ１は、気体配管２３の軸線と直交する方向に設定されているが、傾斜する方向へ設定されていてもよい。

図３に示すように、反応炉３の底壁面３ｅには、複数（例えば数千本）の気体ノズル２５が並んで配置されている。反応炉３の運転時には、それぞれの気体ノズル２５の噴出口から噴出した気体は、排出口３ｄに向かって噴出方向Ｄ１に流れる。

次に、図４〜図６を参照して、本実施形態に係る反応炉３の構成について詳細に説明する。図４は、図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図５は、図３に示すＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図６（ａ）は図５に示す突出部の拡大図、図６（ｂ）は図４に示す突出部の拡大図である。

図４及び図６（ｂ）には側壁面３ｆのみ図示されているが、当該側壁面３ｆと長手方向に対向する側壁面３ｇも同様な構成を有するため説明を省略する。本実施形態において、反応炉３の下部における側壁面３ｆは、鉛直方向に真っ直ぐに延びている。従って、防護材２９Ｃも側壁面３ｆに沿って鉛直方向に真っ直ぐに延びている。

図４及び図６（ｂ）に示すように、反応炉３は、防護材２９Ｃが設けられた側壁面３ｆから反応炉３の内部に向けて突出した突出部３１を備えている。突出部３１は、防護材２９Ｃの反応炉３の内側の側面２９Ｃａから突出している。突出部３１は防護材２９Ｃと同材料の防護材によって構成されている。また、突出部３１は防護材２９Ｃと一体的に構成されている。従って、突出部３１と防護材２９Ｃとの間には切れ目等がなく、同一部材として構成されている。防護材２９Ｃ及び突出部３１を形成する際は、同一の成形型にて防護材２９Ｃと突出部３１が同時に形成される。なお、成形型の材質は限定されず、金属製であっても木製であってもよい。突出部３１の上端面３１ａは水平方向に沿って延びている。当該上端面３１ａ上には、流動物が堆積することで堆積部Ｔが形成される。堆積部Ｔは、防護材２９Ｃの側面２９Ｃａから上端面３１ａの先端へ向かって下方へ傾斜するように形成される。上端面３１ａは、水平方向と平行に延びることが好ましいが、堆積した流動物が落下しない範囲で水平方向に対して傾斜していてもよい。

突出部３１の反応炉３の内側の側端面３１ｂは、鉛直方向に真っ直ぐに延びている。突出部３１の側端面３１ｂは、最も側壁面３ｆ側に配置される気体ノズル２５Ａよりも側壁面３ｆ側に配置される。側端面３１ｂは、上端面３１ａと下側の防護材２９Ａの上面との間の全域に亘って鉛直方向に真っ直ぐに延びており、中途位置に窪み等が設けられることなく連続的に延びている。すなわち、突出部３１は底部（ここでは、防護材２９Ａの最上段における上面２９Ａａ）から上端面３１ａに至るまで同一の厚さにて連続的に形成されている。突出部３１における反応炉３の内部へ向かう方向（ここでは水平方向）の厚みｔ２は側壁面３ｆを防護する防護材２９Ｃの厚みｔ１よりも厚い。ただし、突出部３１の厚みｔ２は、防護材２９Ｃの厚みｔ１より薄くてもよい。この場合、突出部３１を形成するための材料の量を低減することができる。

上端面３１ａの高さ位置について説明する。上端面３１ａは、少なくとも、最も側壁面３ｆ側に配置される気体ノズル２５Ａの上端部よりも上側へ配置される。また、上端面３１ａの高さは、堆積部Ｔが安息角θにある時に上面を延長した仮想線Ｌ１が、最も側壁面３ｆ側に配置される気体ノズル２５Ａの上方を通過するように設定される。これにより、上端面３１ａの高さは、仮想線Ｌ１上に気体ノズル２５Ａが存在しないように設定される。図６（ｂ）に示すように、上端面３１ａの高さが気体ノズル２５Ａの上端部よりも一定以上に設定されることで、仮想線Ｌ１は、気体ノズル２５Ａと交わることなく、当該気体ノズル２５Ａの上方を通過する。仮想線Ｌ１は、気体ノズル２５Ａよりも反応炉３の内側において気体ノズル２５又は防護材２９Ａと交わる。なお、堆積部Ｔの安息角θは、運転開始後、直ちに形成され、その後、持続的に形成される。安息角θは、流動物の種類や、上端面３１ａの大きさ等によって変動があるため、特に限定されないが、４５°前後の角度となる程度となる場合がある。なお、反応炉３には、図１に示す燃料投入口３ａ及びリターンライン９、その他、バーナ、エアノズル等の構成要素が設けられている。上端面３１ａの高さは、これらの構成要素と干渉しないように、当該構成要素よりも下方に設定される。また、上端面３１ａの高さは、高すぎることによって、当該上端面３１ａで一度拡散させたダウンフローが再び側端面３１ｂに沿って下方へ流れない程度の高さに設定される。

次に、図５及び図６（ａ）を参照して、側壁面３ｋ，３ｈ側の構成について説明する。なお、図６（ａ）には側壁面３ｋの拡大図が図示されているが、当該側壁面３ｋと短手方向に対向する側壁面３ｈも同様な構成を有するため説明を省略する。本実施形態において、反応炉３の下部における側壁面３ｋは、鉛直方向に対して傾斜するように延びている。従って、防護材２９Ｆも側壁面３ｋに沿って鉛直方向に真っ直ぐに延びている。なお、側壁面３ｋ及び防護材２９Ｆは、下方へ向かうに従って反応炉３の内部側へ向かうように傾斜している。

図５及び図６（ａ）に示すように、反応炉３は、防護材２９Ｆが設けられた側壁面３ｋから反応炉３の内部に向けて突出した突出部３２を備えている。突出部３２は、防護材２９Ｆの反応炉３の内側の側面２９Ｆａから突出している。突出部３２は防護材２９Ｆと同材料の防護材によって構成されている。また、突出部３２は防護材２９Ｆと一体的に構成されている。従って、突出部３２と防護材２９Ｆとの間には切れ目等がなく、同一部材として構成されている。防護材２９Ｆ及び突出部３２を形成する際は、同一の成形型にて防護材２９Ｆと突出部３２が同時に形成される。突出部３２の上端面３２ａは水平方向に沿って延びている。当該上端面３２ａ上には、流動物が堆積することで堆積部Ｔが形成される。堆積部Ｔは、防護材２９Ｆの側面２９Ｆａから上端面３２ａの先端へ向かって下方へ傾斜するように形成される。上端面３２ａは、水平方向と平行に延びることが好ましいが、堆積した流動物が落下しない範囲で水平方向に対して傾斜していてもよい。

突出部３２の反応炉３の内側の側端面３２ｂは、鉛直方向に真っ直ぐに延びている。側端面３２ｂと上端面３２ａとの間にはテーパー面３２ｃが形成される。テーパー面３２ｃを形成することにより、突出部３２の端部を欠けにくくすることができる。突出部３２の側端面３２ｂは、最も側壁面３ｋ側に配置される気体ノズル２５Ｂよりも側壁面３ｋ側に配置される。側端面３２ｂは、テーパー面３２ｃと下側の防護材２９Ａの上面との間の全域に亘って鉛直方向に真っ直ぐに延びており、中途位置に窪み等が設けられることなく連続的に延びている。すなわち、突出部３２は底部（ここでは、防護材２９Ａの最上段における上面２９Ａａ）からテーパー面３２ｃに至るまで徐々に厚さが大きくなるように連続的に形成されている。突出部３２における反応炉３の内部へ向かう方向（ここでは水平方向）の厚みｔ４は側壁面３ｋを防護する防護材２９Ｆの厚みｔ３よりも厚い。ただし、ここでの厚みｔ４は、テーパー面３２ｃが形成されていないと仮定した場合の、上端面３２ａの位置における厚みとして定義される。また、上端面３２ａの水平方向における広さｔ５も防護材２９Ｆの厚みｔ３より広い。ただし、突出部３２の厚みｔ４は、防護材２９Ｆの厚みｔ３より薄くてもよい。この場合、突出部３２を形成するための材料の量を低減することができる。

上端面３２ａの高さ位置について説明する。上端面３２ａは、少なくとも、最も側壁面３ｋ側に配置される気体ノズル２５Ｂの上端部よりも上側へ配置される。また、上端面３２ａの高さは、流動物の堆積部Ｔが安息角θにある時の上面を延長した仮想線Ｌ２上が、最も側壁面３ｋ側に配置される気体ノズル２５Ｂの上方を通過するように設定される。これにより、上端面３２ａの高さは、仮想線Ｌ２上に気体ノズル２５Ｂが存在しないように設定される。図６（ａ）に示すように、上端面３２ａの高さが気体ノズル２５Ｂの上端部よりも一定以上に設定されることで、仮想線Ｌ２は、気体ノズル２５Ｂと交わることなく、当該気体ノズル２５Ｂの上方を通過する。仮想線Ｌ２は、気体ノズル２５Ｂよりも反応炉３の内側において気体ノズル２５又は防護材２９Ａと交わる。なお、ここでの堆積部Ｔの安息角θは、突出部３１で説明した安息角と同趣旨である。上端面３２ａの高さは、前述の反応炉３の構成要素と干渉しないように、当該構成要素よりも下方に設定される。また、上端面３２ａの高さは、高すぎることによって、当該上端面３２ａで一度拡散させたダウンフローが再び側端面３２ｂに沿って下方へ流れない程度の高さに設定される。

次に、本実施形態に係る反応炉３の作用・効果について説明する。

まず、比較例に係る反応炉について、図７を参照して説明する。図７に示すように、反応炉は本実施形態のような突出部３１，３２が設けられていない。このような反応炉では、底部において反応炉の側面に沿って流動物が下降するダウンフローが生じた時に、当該ダウンフローＦが底壁面に設けられた気体ノズルと衝突することによって、気体ノズルに摩耗、損耗が生じる場合があった。

これに対し、本実施形態に係る反応炉３は、防護材２９が設けられた側壁面３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｋから反応炉３の内部に向けて突出した突出部３１，３２を備えている。また、突出部３１，３２の上端面３１ａ，３２ａは水平方向に沿って延びている。側壁面３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｋに沿って下方へ流れる流動物のダウンフローＦは、底壁面３ｅに設けられた気体ノズル２５Ａ，２５Ｂと衝突する手前において、突出部３１，３２の上端面３１ａ，３２ａと衝突する。これによって、流動物のダウンフローＦは、気体ノズル２５の手前で拡散及び動圧低減する（図６参照）。以上により、底壁面に設けられた気体ノズル２５の摩耗、損耗を抑制できる。

本実施形態に係る反応炉３において、突出部３１における反応炉３の内部へ向かう方向の厚みは側壁面３ｆ，３ｇを防護する防護材２９Ｃ，２９Ｄの厚みよりも厚く、突出部３２における反応炉３の内部へ向かう方向の厚みは側壁面３ｈ，３ｋを防護する防護材２９Ｅ，２９Ｆの厚みよりも厚い。これによって、流動物のダウンフローＦを拡散及び動圧低減するために、十分な広さの上端面３１ａ，３２ａを確保することができる。

本実施形態に係る反応炉３において、突出部３１は防護材２９Ｃ，２９Ｄと一体的に構成されている。これによって、成形型によって防護材２９Ｃ，２９Ｄを形成する際に同時に突出部３１を形成することができる。また、突出部３２は防護材２９Ｅ，２９Ｆと一体的に構成されている。これによって、成形型によって防護材２９Ｅ，２９Ｆを形成する際に同時に突出部３２を形成することができる。また、突出部３１，３２を防護材２９Ｃ，２９Ｄ，２９Ｅ，２９Ｆと一体的に構成することで、構造上の強度を向上することができ、突出部３１，３２の脱落を防止できる。

本実施形態に係る反応炉３において、突出部３１，３２は底部から上端面３１ａ，３２ａに至るまで連続的に形成されていている。例えば、突出部３１，３２が上下方向における一部にのみ形成されていた場合、一度上端面３１ａ，３２ａで拡散したダウンフローＦが、突出部３１，３２の下方へ回りこんで、防護材２９に沿って下方へ向かう可能性がある。これに比して、突出部３１，３２は底部から上端面３１ａ，３２ａに至るまで連続的に形成されていることで、突出部３１，３２の上端面３１ａ，３２ａで拡散したダウンフローＦが、突出部３１，３２の下方へ回りこむ事を抑制できる。

本実施形態に係る反応炉３において、突出部３１，３２の上端面３１ａ，３２ａの高さは、堆積部Ｔが安息角θにある時の上面を延長した仮想線Ｌ１，Ｌ２が、最も側壁面３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｋ側に配置される気体ノズル２５の上方を通過するように設定されている。これによって、上端面３１ａ，３２ａで拡散した際に、堆積部Ｔが安息角θであるときの上面に沿って斜め下方へ流れるダウンフローＦが、最も側壁面３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｋに配置される気体ノズル２５Ａ，２５Ｂに衝突することを抑制できる。従って、気体ノズル２５Ａ，２５Ｂの摩耗、損耗を抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態においては、四方の側壁面３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｋの全てについて突出部が形成されていたが、少なくとも一つの側壁面に突出部が設けられていればよい。例えば、長手方向、又は短手方向に対向する一対の側壁面のみに突出部が形成されていてもよい。この場合、一部の側壁面のみに突出部を形成することで、突出部を形成するために用いる材料の量を低減できる。

また、側壁面の形状、及びそれを覆う防護材の形状は、上述の実施形態に限定されるものではない。

また、突出部の形状は、上述の実施形態に限定されるものではなく、適宜変更してよい。例えば、突出部は底部から上端面に至るまで連続的に形成されていなくともよく、上下方向における一部だけに形成されていてもよい。この場合、突出部を形成するのに用いる材料の量を低減できる。

また、突出部は防護材と一体的に構成されていなくともよい。この場合、突出部は、防護材と異なる材料による別部材によって構成されていてもよい。この場合、突出部を形成するための材料や加工方法の自由度が向上する。

３…反応炉、３ｆ，３ｇ，３ｈ，３ｋ…側壁面、２９…防護材、２５…気体ノズル（気体供給部）、３１，３２…突出部、３１ａ，３２ａ…上端面。

Claims (4)

1. 底壁面に設けられた気体供給部より気体を供給し、流動物の流動状態を形成する反応炉において、
   前記反応炉の下部に設けられ、反応炉壁面を防護する防護材と、
   前記防護材が設けられた前記反応炉壁面から前記反応炉の内部に向けて突出した突出部と、を備え、
   前記突出部の上端面は水平方向に沿って延びており、
   前記上端面には、前記流動物が堆積することによって堆積部が形成され、
   前記突出部の前記上端面の高さは、前記堆積部が安息角にある時の上面を延長した仮想線が、最も前記反応炉壁面側に配置される前記気体供給部の上方を通過するように設定される、反応炉。
2. 前記突出部における前記反応炉の内部へ向かう方向の厚みは前記反応炉壁面を防護する前記防護材の厚みよりも厚い構成と、
   前記突出部が前記防護材と一体的に構成されている構成と、
   前記突出部が底部から前記上端面に至るまで連続的に形成されている構成と、の少なくとも一つの構成が採用される、請求項１に記載の反応炉。
3. 前記突出部は、前記反応炉の下部に設けられた前記防護材の前記反応炉の内側の側面から突出し、前記上端面は、前記防護材の前記側面から延びている、請求項１又は２に記載の反応炉。
4. 前記上端面の高さは、前記反応炉に燃料を投入する燃料投入口よりも下方に設定される、請求項１〜３の何れか一項に記載の反応炉。

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