JPH08189378A - 水素吸蔵合金を使用した排熱利用発電方法及び装置 - Google Patents

水素吸蔵合金を使用した排熱利用発電方法及び装置

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JPH08189378A
JPH08189378A JP7018448A JP1844895A JPH08189378A JP H08189378 A JPH08189378 A JP H08189378A JP 7018448 A JP7018448 A JP 7018448A JP 1844895 A JP1844895 A JP 1844895A JP H08189378 A JPH08189378 A JP H08189378A
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JP
Japan
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heat exchanger
hydrogen gas
heat
storage alloy
turbine
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JP7018448A
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Akira Yabe
彰 矢部
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 全体設備が小形かつ低コストであり、かつ排
熱回収効率の向上した水素吸蔵合金使用の排熱利用発電
方法及び装置を提供する。 【構成】 水素吸蔵合金を収容した一方の熱交換器に排
熱流体を導入させて水素吸蔵合金を加熱し、これによっ
て得られた所定圧力の水素ガスをタービンに導入して発
電機を回転させ、タービン内で膨張した水素ガスを他方
の熱交換器に導入して水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵さ
せ、次に、他方の熱交換器に排熱流体を導入して水素吸
蔵合金を加熱し、これによって得られた所定圧力の水素
ガスをタービンに導入して発電機を回転させ、タービン
内で膨張した水素ガスを前記一方の熱交換器に導入して
水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させ、この行程を繰返し
て連続的に排熱流体の持つ熱エネルギをタービンで回収
すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は水素吸蔵合金を利用して
100°C前後の比較的高温の排熱からエネルギを回収
する方法及び装置に関し、更に詳しくは、水素吸蔵合金
から放出される水素によってタービンを回転させ、もっ
て排熱からエネルギを回収する方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、ランタンニッケル等の水素吸蔵
合金は、大量の水素を吸蔵する合金として知られてい
る。この従来公知の水素吸蔵合金は、少量の水素吸蔵合
金の中に大量の水素を吸蔵できるので、種々の分野の技
術に転用されつつある。
【0003】その中の一つとして、水素吸蔵合金を加熱
することにより該水素吸蔵合金から放出される水素ガス
を使用してタービンを回転駆動し、もって発電する方法
も技術文献に散見される。しかしながら、公知の水素吸
蔵合金を用いて発電する方法及び装置は、その具体的構
成や実験データ等は知られていない。
【0004】一方、排熱のエネルギーを電気エネルギと
して回収するシステムも種々提案されている。その代表
的なシステムは、排熱を低温ランキンサイクルの熱源と
し、このランキンサイクルによって作動されるタービン
によって発電するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来公
知の低温ランキンサイクルを利用するものでは、大型の
凝縮器を必要とするため、システム全体が大型化し、設
備も高コストとなってしまう。このため、単位電力当た
りの発電コストが高くなって実用化が困難であった。ま
た、前記公知の水素吸蔵合金を使用した排熱エネルギの
回収システムは、そのシステムとしての詳細が不明確で
あり、かつ具体的構成も不明確であるため、実用化の対
象とはなっていない。また、効率的なエネルギ回収のた
めの工夫も見られない。
【0006】そこで、本発明の目的は、前記従来公知の
排熱回収システムの欠点を改善し、水素吸蔵合金を使用
することによって全体設備が小形かつ低コストであり、
かつシステムとしての排熱回収効率の向上した排熱利用
発電方法及び装置を提供せんとするにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、以下のような方法にある。即ち、水素吸蔵合金を
収容した第1と第2の2個の熱交換器と、排熱流体を前
記2個の熱交換器へ交互に導入させる第1の切り替え弁
と、冷却流体を前記2個の熱交換器へ交互に導入させる
第2の切り替え弁と、前記2個の熱交換器と連通するタ
ービンと、該タービンに連結された発電機と、からなる
水素吸蔵合金を使用した排熱利用発電方法において、第
1の熱交換器に排熱流体を導入して水素吸蔵合金を加熱
し、これによって所定圧力の水素ガスを発生させ、該水
素ガスをタービンに導入して発電機を回転させ、第2の
熱交換器を冷却流体で冷却し、前記タービン内で膨張し
た水素ガスを該第2の熱交換器に導入して水素ガスを水
素吸蔵合金に吸蔵させ、前記第1の熱交換器の水素吸蔵
合金に吸蔵された水素ガスの残量が低減した時に前記第
1の切り替え弁と第2の切り替え弁を切り替え、次に、
第2の熱交換器に排熱流体を導入して水素吸蔵合金を加
熱し、これによって所定圧力の水素ガスを発生させ、該
水素ガスをタービンに導入して発電機を回転させ、前記
第1の熱交換器を冷却流体で冷却し、前記タービン内で
膨張した水素ガスを該第1の熱交換器に導入して水素ガ
スを水素吸蔵合金に吸蔵させ、前記第2の熱交換器の水
素吸蔵合金に吸蔵された水素ガスの残量が低減した時に
前記第1の切り替え弁と第2の切り替え弁を切り替え、
再度前記第1の熱交換器に排熱流体を導入する行程とし
て上述の行程を繰返し、もって連続的に排熱流体の持つ
熱エネルギを回収してなることを特徴とする水素吸蔵合
金を使用した排熱利用発電方法。
【0008】本発明の他の特徴とするところは次のよう
な装置にある。即ち、水素吸蔵合金を収容した第1と第
2の2個の熱交換器と、排熱流体を前記2個の熱交換器
へ導入させて排出する排熱流体流通通路と、排熱流体を
前記2個の熱交換器へ交互に導入させる第1の切り替え
弁と、冷却流体を前記2個の熱交換器へ導入させて排出
する冷却流体流通通路と、冷却流体を前記2個の熱交換
器へ交互に導入させる第2の切り替え弁と、水素ガスの
膨張によって回転するタービンと、該タービンに連結さ
れた発電機と、前記2個の熱交換器とタービンの高圧側
とを連通する第1の水素ガス循環通路と、前記2個の熱
交換器とタービンの低圧側とを連通する第2の水素ガス
循環通路と、前記第1の水素ガス循環通路に設けられた
第3の切り替え弁と、前記第2の水素ガス循環通路に設
けられた第4の切り替え弁と、前記第1の切り替え弁な
いし第4切り替え弁を切り替え制御する制御装置と、か
らなり、前記制御装置が、第1の熱交換器に排熱流体を
導入し、第2の熱交換器を冷却流体を導入し、第1の熱
交換器内で発生した水素ガスをタービンの高圧側に導入
し、タービンで膨張した水素ガスを第2の熱交換器に導
入する第1の行程と、第2の熱交換器に排熱流体を導入
し、第1の熱交換器を冷却流体を導入し、第2の熱交換
器内で発生した水素ガスをタービンの高圧側に導入し、
タービンで膨張した水素ガスを第1の熱交換器に導入す
る第2の行程と、を交互に繰り返すように切り替え弁を
切り替え制御することを特徴とする水素吸蔵合金を使用
した排熱利用発電装置。
【0009】本発明の更に特徴とするところは、第1の
熱交換器及び第2の熱交換器に収容されている水素吸蔵
合金を複数段とし、それぞれの段の水素吸蔵合金の組成
を、排熱流体の温度低下に伴う水素ガスの圧力低下のな
いものとなるように選定してなることを特徴とする水素
吸蔵合金を使用した排熱利用発電方法及び装置。
【0010】
【実施例】以下、図によって本発明の一実施例を説明す
る。図1は本発明の一実施例を示す水素吸蔵合金を使用
した発電装置の系統図である。
【0011】図を参照して、本発明のシステムには水素
吸蔵合金が内蔵された第1の熱交換器1と第2の熱交換
器2が設置されており、該第1の熱交換器1と第2の熱
交換器2に排熱流体(熱を持った廃水等)を流通させる
排熱ポンプ3が設けられている。排熱ポンプ3の排熱流
体流通通路4には切り替え弁5が設けられ、該切り替え
弁5によって第1の熱交換器1あるいは第2の熱交換器
2へ連絡する排熱流体流通通路4Aと排熱流体流通通路
4Bのどちらか一方が選択されるものとなっている。排
熱流体流通通路4Aによって第1の熱交換器1へ流入し
た排熱流体は第1の熱交換器1に内蔵されている水素吸
蔵合金に熱を与えて排熱流体流通通路4Cから流出され
る。また、排熱流体流通通路4Bによって第2の熱交換
器2へ流入した排熱流体は第2の熱交換器2に内蔵され
ている水素吸蔵合金に熱を与えて排熱流体流通通路4D
から流出される。
【0012】また、第1の熱交換器1及び第2の熱交換
器2内に設けられた水素吸蔵合金から放出された水素ガ
スをタービン6の高圧側へ流通させ、更にタービンの低
圧側から膨張した水素ガスを第1の熱交換器1及び第2
の熱交換器2へ導入させる水素ガス循環通路7が設けら
れており、該水素ガス循環通路7には2つの切り替え弁
8、9が設けられている。切り替え弁8は、第1の熱交
換器1あるいは第2の熱交換器2のどちらか一方の水素
ガスをタービン6の高圧側へ導入させるように選択する
ものである。切り替え弁9は、タービン6の低圧側から
排出された水素ガスを第1の熱交換器1へ導入させるか
あるいは第2の熱交換器2へ導入させるかを選択するも
のである。
【0013】第1の熱交換器1で放出された水素ガス
は、水素ガス循環通路7A、切り替え弁8、水素ガス循
環通路7Bを介してタービン6の高圧側へ流入され、タ
ービン6で膨張した後の水素ガスは水素ガス循環通路7
C、切り替え弁9、水素ガス循環通路7Dを流通して第
2の熱交換器2へ導入され、ここで第2の熱交換器2に
内蔵された水素吸蔵合金に吸蔵される。
【0014】第2の熱交換器2で発生した水素ガスは水
素ガス循環通路7E、切り替え弁8、水素ガス循環通路
7Bを介してタービン6の高圧側へ流入され、タービン
6で膨張した後の水素ガスは水素ガス循環通路7C、切
り替え弁9、水素ガス循環通路7Fを流通して第1の熱
交換器1へ導入され、ここで第1の熱交換器1に内蔵さ
れた水素吸蔵合金に吸蔵される。
【0015】また、第1の熱交換器1及び第2の熱交換
器2内に内蔵された水素吸蔵合金を冷却するため、第1
の熱交換器1及び第2の熱交換器2に冷却水を流通させ
る冷却水流通通路10、冷却水ポンプ11が設けられて
いる。冷却水流通通路10には切り替え弁12が設けら
れており、該切り替え弁12によって冷却水を第1の熱
交換器1へ流通させるか、第2の熱交換器2へ流通させ
るかを選択する。
【0016】冷却水ポンプ11によって流通される冷却
水は、一方では冷却水流通通路10、切り替え弁12、
冷却水流通通路10A、第1の熱交換器1、冷却水流通
通路10B、冷却水流通通路10Cを流通した後排出さ
れる。また、他方では冷却水ポンプ11によって流通さ
れる冷却水は、冷却水流通通路10、切り替え弁12、
冷却水流通通路10D、第2の熱交換器2、冷却水流通
通路10E、冷却水流通通路10Cを流通した後排出さ
れる。尚、図示の実施例では、冷却水流通通路10Bと
冷却水流通通路10Eとの合流点にも切り替え弁14が
設けられているが、この切り替え弁14は省略可能であ
る。
【0017】タービン6には発電機13が連結されてお
り、タービン6の回転によって発電されるものとなって
いる。
【0018】切り替え弁5、8、9、12、14を切り
替え制御するため、制御装置15が設けられ、該制御装
置15の制御信号によって前記各切り替え弁5、8、
9、12、14が切り替え制御される。また、第1の熱
交換器1及び第2の熱交換器2には圧力センサー16、
17が設けられており、該圧力センサー16、17で検
出された圧力によって、制御装置15が前記各切り替え
弁5、8、9、12、14に切り替え信号を発信するよ
うに制御するものとなっている。
【0019】以上のように構成された本システムの作用
を以下に説明する。まず、制御装置15によって切り替
え弁5、8、9、12、14を切り替えて、第1の熱交
換器1が作動する第1の行程側にする。すると、排熱ポ
ンプ3によって流通される排熱流体は、排熱流体流通通
路4、切り替え弁5、排熱流体流通通路4Aを介して第
1の熱交換器1へ流入され、第1の熱交換器1内に内蔵
された水素吸蔵合金を加熱(熱交換)した後、排熱流体
流通通路4Cを介して排出される。第1の熱交換器1内
に内蔵された水素吸蔵合金は該排熱流体によって加熱さ
れ、吸蔵している水素ガスを放出する。
【0020】第1の熱交換器1内で放出された水素ガス
は水素ガス循環通路7A、切り替え弁8、水素ガス循環
通路7Bを介してタービン6に導入され、該タービン6
内で膨張することによりタービン6を回転駆動する。タ
ービン6には発電機13が連結されているので、該ター
ビン6の回転によって電力を得るものである。タービン
6から排出された水素ガスは、水素ガス循環通路7C、
切り替え弁9、水素ガス循環通路7Fを介して第2の熱
交換器2へ導入される。
【0021】第2の熱交換器2へは、冷却水ポンプ11
によって冷却水が導入されているため、第2の熱交換器
2に内蔵されている水素吸蔵合金は冷却されている。こ
のため、水素吸蔵合金は多量の水素を吸蔵できる状態と
なっており、前記水素ガス循環通路7Fを介して第2の
熱交換器2へ導入される水素ガスは、この冷却された水
素吸蔵合金に吸蔵される。
【0022】第1の熱交換器1の水素吸蔵合金に吸蔵さ
れた水素ガスが放出されてしまうと、第1の熱交換器1
内の内圧が低下する。この内圧の変化を圧力センサー1
6で検出し、この信号を制御装置15に与えて切り替え
弁5、8、9、12、14を切り替える。すると、第2
の熱交換器2が作動する第2の行程に切り替わる。
【0023】第2の熱交換器2が作動するシステムの作
用を述べると、以下に説明するとおりである。排熱ポン
プ3によって流通される排熱流体は、排熱流体流通通路
4、切り替え弁5、排熱流体流通通路4Bを介して第2
の熱交換器2へ流入され、第2の熱交換器2内に内蔵さ
れた水素吸蔵合金に熱を与えた後、排熱流体流通通路4
Dを介して排出される。第2の熱交換器2内に内蔵され
た水素吸蔵合金は該排熱流体によって加熱され、吸蔵し
ている水素ガスを放出する。
【0024】第2の熱交換器2内で発生した水素ガスは
水素ガス循環通路7E、切り替え弁8、水素ガス循環通
路7Bを介してタービン6に導入され、該タービン6内
で膨張することによりタービン6を回転駆動する。そし
て、タービン6から排出された水素ガスは、水素ガス循
環通路7C、切り替え弁9、水素ガス循環通路7Dを介
して第1の熱交換器1へ導入される。
【0025】第1の熱交換器1へは、冷却水ポンプ11
によって冷却水が導入されているため、第1の熱交換器
1に内蔵されている水素吸蔵合金は冷却されて多量の水
素を吸蔵できる状態となっている。このため、前記水素
ガス循環通路7Dを介して第1の熱交換器1へ導入され
る水素ガスはこの水素吸蔵合金に吸蔵される。
【0026】第2の熱交換器2の水素吸蔵合金に吸蔵さ
れた水素ガスが放出されてしまうと、第2の熱交換器2
内の内圧が低下する。この内圧の変化を圧力センサー1
7で検出し、この信号を制御装置15に与えて切り替え
弁5、8、9、12、14を切り替える。すると、再度
第1の熱交換器1が作動する第1の行程に切り替わる。
【0027】以上に説明した第1の熱交換器1が作動す
る第1の行程と第2の熱交換器2が作動する第2の行程
を、交互に連続して繰返し行うことにより、連続的に発
電するものである。
【0028】さて、本発明においては、水素吸蔵合金を
排熱流体によって所定の温度に加熱して該水素吸蔵合金
に吸蔵されている水素を所定の圧力(例えば10at)
で取り出し、これをタービン内で所定の圧力まで膨張さ
せて別置の水素吸蔵合金に吸蔵させるものとなってい
る。ところが、熱交換器1、2内へ導入された排熱流体
の温度は、流入時の温度と流出時の温度が異なるものと
なっている(例えば、100°Cで流入して50°Cで
流出していく。)ので、熱交換器1、2内に収容されて
いる水素吸蔵合金は、仮に5段階として、例えば90°
Cで10atの水素圧力を排出する水素蔵合金、そして
80°C、70°C、60°C、50°Cでそれぞれ1
0atの水素圧力を排出する水素蔵合金等となっている
ことが望ましい。
【0029】そこで本発明では、図2を参照して、熱交
換器1にはA1、A2、A3、A4、A5の5段に水素
吸蔵合金が配置し、熱交換器2にはB1、B2、B3、
B4、B5の5段に水素吸蔵合金が配置する。即ち、水
素吸蔵合金から放出される水素ガスの圧力は、水素吸蔵
合金の組成と加熱温度によって異なるので、水素吸蔵合
金の組成を90°C、80°C、70°C、60°C、
50°Cでそれぞれ10atの水素圧力を排出する水素
蔵合金に選定する。このように選定すると、それぞれの
熱交換器1、2の内部で発生する水素ガスの圧力を、排
熱流体が熱交換して徐々に温度が低下したとしても各部
において常時10atの水素ガスが発生するように制御
できるものとなる。
【0030】一方、熱交換器1、2の内部に冷却流体を
導入して水素吸蔵合金を冷却する場合を見ると、冷却流
体の流量は比較的自由に採用できるので、熱交換器1、
2の内部の温度を例えば25°C(入口温度)ないし3
0°C(出口温度)に制御することは容易である。そこ
で、前述のA1、A2、A3、A4、A5及びB1、B
2、B3、B4、B5の5段の水素吸蔵合金が25°C
ないし30°Cに維持されたときの水素ガスの圧力(例
えば1at)に熱交換器1、2の内部圧力を制御し、こ
れによって、水素ガスを10atから1atに膨張させ
てエネルギ回収するサイクルが得られるものとなる。
【0031】
【発明の効果】以上に説明した本発明による効果を列挙
すると、以下のとおりである。本発明によると、システ
ム全体が小型化し、設備も低コストとなる。また、単位
電力当たりの発電コストも低減し、実用化が簡単であ
る。
【0032】また、特性の異なる水素吸蔵合金を複数段
とした場合には、水素ガス圧の変動がなく、かつ効率的
なエネルギ回収ができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の方法及び装置の一実施例を説
明するための系統図である。
【図2】図2は、本発明に適用される水素吸蔵合金の一
実施例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
1 第1の熱交換器 2 第2の熱交換器 3 排熱ポンプ 4、4A、4B、4C、4D 排熱流体流通通路 5 切り替え弁 6 タービン 7、7A、7B、7C、7D、7E、7F 水素ガス循
環通路 8 切り替え弁 9 切り替え弁 10 冷却水流通通路 11 冷却水ポンプ 12 切り替え弁 13 発電機 14 切り替え弁 15 制御装置 16 圧力センサー 17 圧力センサー

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水素吸蔵合金を収容した第1と第2の2個
    の熱交換器と、排熱流体を前記2個の熱交換器へ交互に
    導入させる第1の切り替え弁と、冷却流体を前記2個の
    熱交換器へ交互に導入させる第2の切り替え弁と、前記
    2個の熱交換器と連通するタービンと、該タービンに連
    結された発電機と、からなる水素吸蔵合金を使用した排
    熱利用発電方法において、 第1の熱交換器に排熱流体を導入して水素吸蔵合金を加
    熱し、これによって所定圧力の水素ガスを発生させ、該
    水素ガスをタービンに導入して発電機を回転させ、 第2の熱交換器を冷却流体で冷却し、前記タービン内で
    膨張した水素ガスを該第2の熱交換器に導入して水素ガ
    スを水素吸蔵合金に吸蔵させ、 前記第1の熱交換器の水素吸蔵合金に吸蔵された水素ガ
    スの残量が低減した時に前記第1の切り替え弁と第2の
    切り替え弁を切り替え、 次に、第2の熱交換器に排熱流体を導入して水素吸蔵合
    金を加熱し、これによって所定圧力の水素ガスを発生さ
    せ、該水素ガスをタービンに導入して発電機を回転さ
    せ、 前記第1の熱交換器を冷却流体で冷却し、前記タービン
    内で膨張した水素ガスを該第1の熱交換器に導入して水
    素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させ、 前記第2の熱交換器の水素吸蔵合金に吸蔵された水素ガ
    スの残量が低減した時に前記第1の切り替え弁と第2の
    切り替え弁を切り替え、 再度前記第1の熱交換器に排熱流体を導入する行程とし
    て上述の行程を繰返し、もって連続的に排熱流体の持つ
    熱エネルギを回収してなることを特徴とする水素吸蔵合
    金を使用した排熱利用発電方法。
  2. 【請求項2】前記第1の熱交換器及び第2の熱交換器に
    収容されている水素吸蔵合金を複数段とし、それぞれの
    段の水素吸蔵合金の組成を、排熱流体の温度低下に伴う
    水素ガスの圧力低下のないものとなるように選定してな
    ることを特徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金を使用
    した排熱利用発電方法。
  3. 【請求項3】水素吸蔵合金を収容した第1と第2の2個
    の熱交換器と、排熱流体を前記2個の熱交換器へ導入さ
    せて排出する排熱流体流通通路と、排熱流体を前記2個
    の熱交換器へ交互に導入させる第1の切り替え弁と、冷
    却流体を前記2個の熱交換器へ導入させて排出する冷却
    流体流通通路と、冷却流体を前記2個の熱交換器へ交互
    に導入させる第2の切り替え弁と、水素ガスの膨張によ
    って回転するタービンと、該タービンに連結された発電
    機と、前記2個の熱交換器とタービンの高圧側とを連通
    する第1の水素ガス循環通路と、前記2個の熱交換器と
    タービンの低圧側とを連通する第2の水素ガス循環通路
    と、前記第1の水素ガス循環通路に設けられた第3の切
    り替え弁と、前記第2の水素ガス循環通路に設けられた
    第4の切り替え弁と、前記第1の切り替え弁ないし第4
    切り替え弁を切り替え制御する制御装置と、からなり、 前記制御装置が、第1の熱交換器に排熱流体を導入し、
    第2の熱交換器を冷却流体を導入し、第1の熱交換器内
    で発生した水素ガスをタービンの高圧側に導入し、ター
    ビンで膨張した水素ガスを第2の熱交換器に導入する第
    1の行程と、第2の熱交換器に排熱流体を導入し、第1
    の熱交換器を冷却流体を導入し、第2の熱交換器内で発
    生した水素ガスをタービンの高圧側に導入し、タービン
    で膨張した水素ガスを第1の熱交換器に導入する第2の
    行程と、を交互に繰り返すように切り替え弁を切り替え
    制御することを特徴とする水素吸蔵合金を使用した排熱
    利用発電装置。
  4. 【請求項4】前記第1の熱交換器及び第2の熱交換器に
    収容されている水素吸蔵合金を複数段とし、それぞれの
    段の水素吸蔵合金の組成を、排熱流体の温度低下に伴う
    水素ガスの圧力低下のないものとなるように選定してな
    ることを特徴とする請求項1記載の水素吸蔵合金を使用
    した排熱利用発電装置。
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