KR100381148B1 - 고온 배출가스 시료 채취장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소각로 등에서 배출되는 배출가스를 측정분석하기 위한 고온 배출가스 시료 채취장치에 관한 것으로서, 냉각수 유입구와 유출구를 구비하여 내부에 냉각수가 순환되는 실린더형의 워터재킷과, 이 워터재킷을 축방향으로 관통하여 그에 고정되는 라이너와, 이 라이너를 관통하도록 삽입되어 후단이 입자상의 물질을 분리시킬 수 있는 원통여지에 연결되는 슬리브 및 슬리브의 전단에 결합되며 전단부가 그 축방향에 직교하도록 절곡되어 배출가스의 배출방향에 대향하는 노즐로 이루어져 배출가스를 흡입하는 석영재질의 가스시료 채취관으로 구성되고, 배출가스의 유속을 측정하는 피토관이 워터재킷을 관통하도록 함께 구비되어 배출가스의 유속에 따라 시료의 흡입력을 조절하게 된다. 본 발명은 채취된 배출가스 시료를 상온에 가까운 온도까지 냉각시켜서 측정부로 보낼 수 있어 배출온도가 약 1000℃ 이상인 배출가스로부터 그 측정분석에 필요한 시료를 직접 채취할 수 있는 바, 소각로 내부에서 다이옥신 등의 유해물질이 생성되는 원인과 거동을 보다 확실하게 파악하여 유해물질 방지시설의 구성에 정확성을 부여할 수 있게 된다.

Description

고온 배출가스 시료 채취장치{a sampling device for waste gas}

본 발명은 쓰레기 소각로 등에서 배출되는 배출가스를 분석하기 위해 그 시료를 채취하는 배출가스 시료 채취장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1000℃ 정도의 고온인 소각로 내부에 직접 투입되어 배출중인 배출가스의 일부를 흡입할 수 있는 배출가스 시료 채취장치에 관한 것이다.

급속한 산업발달과 더불어 각종의 산업폐기물과 생활폐기물 등의 각종 폐기물이 대량으로 쏟아지고 있으며, 이는 여러 환경오염의 주요 요인으로 작용하고 있다. 이에 따라 소각 가능한 폐기물, 특히 분해에 장기간이 소요되는 폐기물들은 매립 대신 소각에 의해 처리하고 있는 것이 일반적이다. 그런데. 이와 같이 폐기물을 소각하는 과정에서는 연소에 의한 배출가스 발생이 필연적으로 수반되는데, 이러한 배출가스에는 여러 유해물질이 포함되어 있는 것으로 알려지고 있다.

예컨대, 폐기물에 포함된 질소, 황, 염소 및 기타 유기성물질에 의해 폐기물이 소각된 소각로의 배출가스에는 질소산화물, 아황산가스, 염화수소, 다이옥신 등과 같은 각종 유해물질을 비롯하여 다량의 분진이 포함되어 있으며, 이러한 유해물질은 인체에 직접적인 악영향을 미칠 뿐 아니라 스모그 현상과 산성비의 원인이 되어 심각한 환경문제를 야기시키게 된다.

따라서, 국민건강과 환경보호를 위해서는 소각로의 배출가스에서 위와 같은 유해물질들을 제거한 후 대기로 배출해야 되며, 이를 위해 소각로에서 배출되는 배출가스중의 유해물질 농도를 법으로 규제하고 있다. 따라서 폐기물 소각시설에는 통상 도 1에 도시한 바와 같이, 폐열보일러(2)와 굴뚝(4) 사이에는 소각로(1)에서 배출되는 배출가스중의 유해물질을 제거하기 위한 유해물질 방지시설(3)을 갖추고 있다.

그러나, 상기 유해물질 방지시설(3)이 소기의 목적을 달성하기 위해서는 소각로(1)의 내부에서 다이옥신 등 유해물질이 생성되는 원인과 거동 및 발생량 등에 대한 정확한 파악이 선행되어야 하며, 이를 위해서 시료 채취장치로 배출가스의 시료를 채취하여 분석한 뒤 그 결과를 토대로 유해물질 방지시설(3)을 구성하였다.

그런데, 종래의 배출가스 시료 채취장치는 소각시설의 연도내에 투입되는 시료 채취관이 단순히 석영관으로 되어 있기 때문에 배출가스의 온도가 크게 낮아진 폐열보일러(2)의 후단측에서 채취할 수밖에 없었으며, 이로 인해 소각로(1)내에서 유해물질들이 생성되는 원인과 거동을 정확히 파악하기 어려워 유해물질 방지시설(3)의 구성에 많은 어려움이 있었다. 즉, 소각로(1)의 내부온도는 보통 1000℃가 넘기 때문에 배출가스의 온도가 너무 높아 석영관으로 된 채취관으로는 이를 직접 채취할 수 없어 약 200~300℃ 정도로 낮아진 폐열보일러(2)의 후단측에서 채취할 수밖에 없는 것인데, 이때 채취한 시료는 소각로(1)내에서 이미 각종 유해물질이 생성된 뒤 재합성 및 저감되어 폐열보일러(2)를 통과하므로, 시료의 정확한 측정분석이 사실상 불가능하여 실제로 소각로(1)의 내부에서 다이옥신 등이 생성되는 원인규명과 거동해석을 정확히 파악하기 어려워 정밀한 유해물질 방지시설(3)의 구성이 어렵게 된 것이다.

본 발명은 상술한 종래 배출가스 시료 채취장치의 문제점을 감안하여 발명된 것으로서, 그 목적은 배출온도가 약 1000℃ 이상인 소각시설의 내부로부터 그 측정분석에 필요한 배출가스 시료를 직접 채취할 수 있으며, 또 소형 소각시설의 경우 굴뚝의 배출가스(최종 배출구)의 온도가 1000℃ 이상이 많은데 이 경우에도 배출가스에서 시료를 채취할 수 있는 고온 배출가스 시료 채취장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 소각로 내부에서 다이옥신 등의 유해물질이 생성되는 원인과 거동을 보다 확실하게 파악함으로써 유해물질 방지시설의 구성에 정확성을 부여할 수 있는 배출가스 시료 채취장치를 제공하는 것이다.

도 1은 소각로의 배출가스 배출과정을 개략적으로 나타낸 블록도,

도 2는 본 발명 실시예에 의한 시료 채취장치의 설치상태를 개략적으로 보인 측면도,

도 3은 동 시료 채취장치의 분해 사시도,

도 4는 동 시료 채취장치의 조립상태 단면도,

도 5는 도 4의 일부를 발췌하여 확대한 일부 절취 측면도,

도 6은 도 5의 Ⅵ부분을 발췌하여 확대한 일부 절취 측면도,

도 7은 본 발명 실시예에 적용되는 먼지채취관을 보인 분해 사시도,

도 8은 동 먼지채취관의 조립상태 단면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1: 소각로 1a: 연도

10: 워터재킷 11: 냉각수 유입구

12: 냉각수 유출구 20: 라이너

30: 가스시료 채취관 31: 슬리브

32: 가스시료채취 노즐 40: 피토관

50: 온도센서 60: 가스유입관

70: 먼지채취관 71: 케이싱

77: 필터 78: 먼지채취노즐

이와 같은 본 발명의 목적들은 냉각수 유입구와 유출구를 구비하여 내부에 냉각수가 순환되는 실린더형의 워터재킷(water jacket)과, 이 워터재킷을 축방향으로 관통하게 고정되는 라이너(liner)와, 이 라이너에 관통하게 삽입되며 후단이 원통여지에 연결되어 배출가스를 흡입하는 가스시료 채취관을 구비하는 고온 배출가스 시료 채취장치를 제공함으로써 달성된다.

이러한 본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 가스시료 채취관은 석영재질로 되며, 양 단부가 노출되도록 라이너에 삽입되어 후단이 원통여지에 연결되는 슬리브(sleeve)와, 이 슬리브의 전단에 후단이 결합되며 전단부가 그 축방향과 직교되게 절곡되어 배출가스의 배출방향에 대응하는 노즐(nozzle)로 이루어진다.

본 발명의 다른 바람직한 특징에 의하면, 배출가스의 유속을 측정하는 피토관(pitot tube)이 워터재킷을 관통하게 함께 구비되어, 배출가스의 유속에 따라 시료 흡입력을 적절히 조절함으로써 배출가스의 유속변화를 측정하여 배출가스의 유속과 같은 유속으로 시료를 채취하게 된다.

또한, 본 발명은 채취된 배출가스 시료를 상온에 가까운 온도까지 냉각시켜서 측정부로 보낼 수 있어 배출온도가 약 1000℃ 이상인 배출가스로부터 그 측정분석에 필요한 시료를 직접 채취할 수 있게 되므로, 소각로 내부에서 다이옥신 등의 유해물질이 생성되는 원인과 거동을 보다 확실하게 파악하여 유해물질 방지시설의 구성에 정확성을 부여할 수 있게 되는 등 배출가스 시료 채취장치의 신뢰성과 정확성 향상에 큰 효과를 발휘한다.

이와 같은 본 발명의 구체적인 특징과 다른 잇점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

도 2에서, 본 발명 실시예에 의한 고온 배출가스 시료 채취장치(100)는 소각로(1) 등의 연도(1a)내에 직접 투입되어 배출되는 배출가스로부터 측정용 시료를 채취하는 것으로서, 채취된 배출가스 시료를 다단계로 필터링하여 시료로부터 다이옥신 등의 분석대상 물질만을 분리해내는 임핀저 박스(impinger box:200)에 연결되며, 콘트롤시스템(300)에 의해 구동 제어된다.

먼저, 임핀저 박스(200)는 시료 채취장치(100)에 연결되어 채취된 배출가스 시료로부터 먼지나 분진 등의 입자상의 물질을 분리시키기 위한 원통여지(210)를 포함하여 순차적으로 연결된 복수의 시료분리기들로 이루어지고, 배출가스 시료를 이송시키기 위한 흡입펌프(도시하지 않음) 등을 구비한다.

그리고, 시료 채취장치(100)는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 내부에 냉각수가 순환되는 워터재킷(10)과, 이 워터재킷(10)을 축방향으로 관통하여 그에 고정되는 라이너(20)와, 이 라이너(20)를 관통하게 삽입되어 후단이 임핀저 박스(200)의 원통여지(210)에 연결되며 소각로(1)의 연도(1a)로부터 배출가스를 흡입하는 석영재질의 가스시료 채취관(30)으로 구성된다.

워터재킷(10)은 충분히 긴 실린더형으로 구성되며, 그 후단부 외주에는 냉각수의 순환을 위한 냉각수 유입구(11)와 유출구(12)를 구비한다. 그리고 냉각수 유입구(11)는 냉각수가 워터재킷(10)의 내부를 골고루 순환할 수 있도록 워터재킷(10)내에서 그 전단부까지 연장된다. 이러한 냉각수 유입구(11)와 유출구(12)는 워터탱크(도시하지 않음)에 연결되고, 냉각수는 도시하지 않은 펌프에 의해 워터탱크와 워터재킷(10) 사이를 순환하게 된다.

라이너(20)는 석영재질로 이루어진 가스시료 채취관(30)이 냉각수와 직접 접촉되지 않도록 하기 위한 것으로, 그 내부는 워터재킷(10)의 내부와 분리된다.

가스시료 채취관(30)은 그 후단부에 원통여지(210)와 결합하기 위한 확관부(擴管部:33)를 가지며, 전단(前端)부에는 배출가스 시료의 용이한 흡입을 위해 배출가스의 배출방향에 대응하도록 그 중심에 대해 직교방향으로 절곡된 대략 훅(hook) 형태의 흡입부(34)를 갖는다. 또한 가스시료 채취관(30)은 라이너(20)를 관통하게 삽입되는 슬리브(31)와, 흡입부(34)를 전단에 가지며 후단이 슬리브(31)의 전단에 결합되는 가스 시료채취 노즐(32)로 분리 구성된다. 이러한 가스시료 채취관(30)은 라이너(20)의 전단에 나사결합되는 고정링(21)에 의해 라이너(20)에 지지된다.

그리고, 슬리브(31)의 전단부와 노즐(32)의 후단부에는 양자의 기밀(氣密)한 결합을 위해서 상호 대응하는 원추형의 끼움부(35)와 삽입부(36)가 형성되고, 끼움부(35)의 후측과 삽입부(36)의 외주에는 걸림턱(37)(38)이 각각 구비되어 클램프(39)에 의해 결합 고정된다. 클램프(39)는 여러 가지 형태로 구성될 수 있는데, 예를 들면 도시된 바와 같이 슬리브(31)와 노즐(32)의 걸림턱(37)(38)에 각각 위치되는 두 C형 클립(39a)이 복수의 탄성탭(39b)들에 의해 일체로 연결되어 구성될 수 있다.

한편, 소각로(1)에서 배출되는 배출가스의 유속은 일정하지 않지만 정밀한 측정분석을 위해서는 배출가스의 유속을 일정한 간격으로 측정하여 그 유속과 같은 유속으로 채취하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명의 시료 채취장치(100)는 배출가스의 유속을 측정하기 위한 피토관(40)을 구비하고 있다. 피토관(40)은 도시된 바와 같이 배출가스의 배출방향에 대응하도록 배치되어 그 전체압력을 측정하는 전압관(41)과, 배출가스의 배출방향을 향하도록 배치되어 그 정압을 측정하는 정압관(42)으로 구성되며, 워터재킷(10)을 관통하게 설치되어 그 후단이 콘트롤시스템(300)에 연결된다. 이에 따라 콘트롤시스템(300)이 피토관(40)에 의해 측정된 배출가스의 전압과 정압의 차이, 즉 전압에서 정압을 뺀 동압을 설정값과 비교하여 측정된 동압이 설정값보다 크면(유속이 빠르면) 시료의 흡입속도를 증가시키고, 작으면(유속이 느리면) 시료의 흡입속도를 감소시킴으로써 배출가스의 유속에 따라 등속 흡입하여 시료를 채취하게 된다.

그리고, 본 발명에 의한 시료 채취장치(100)에는 배출가스의 온도를 측정하기 위한 온도센서(50)와, 배출가스의 농도를 측정하기 위한 가스유입관(60)도 함께 구비되며, 이들 역시 워터재킷(10)을 관통하여 그 검출단이 배출가스에 노출되게 설치된다.

온도센서(50)는 배출가스의 온도에 따라 각종 유해물질이 생성되는 과정과 그들의 거동을 살피기 위한 것으로서, 그 출력단은 콘트롤시스템(300)에 연결된다. 이러한 온도센서(50)는 배출가스의 온도에 따른 워터재킷(10)내의 냉각수 온도 조절에도 이용된다.

가스유입관(60)은 소각로(1)에서 배출되는 배출가스에서 먼지 등의 이물질을 제거한 순수 가스입자의 농도를 측정하기 위한 것으로, 그 후단은 필터를 통해 측정부에 연결된다.

한편, 도 7 및 도 8에는 소각로(1)에서 배출되는 배출가스중의 이물질을 측정분석하기 위한 먼지채취관(70)이 도시되어 있다. 이것은 라이너(20)의 전단에 분리 가능하게 결합되는 케이싱(71)과, 이 케이싱(71)의 내부에 수용되어 배출가스중의 먼지를 포집하는 필터(77)와, 케이싱(71)의 전단에 결합되어 배출가스를 흡입하는 먼지채취노즐(78)로 이루어진다.

케이싱(71)은 원통형으로 되며, 라이너(20)와 결합하기 위한 축소된 지름의 결합보스(72)가 후단에 돌출되고 전단에는 노즐(78)을 장착하기 위한 연결구(73)를 구비한다. 연결구(73)는 케이싱(71)의 전단에 접촉하는 환형의 플랜지(74)를 외주에 구비하여 케이싱(71)의 전단부 외주에 나사결합되는 캡너트(cap nut:76)에 의해서 케이싱(71)에 일체적으로 결합되고, 플랜지(74)의 앞쪽 부분이 후술하는 노즐(78)의 캡너트(79)에 나사결합됨으로써 노즐(78)을 케이싱(71)에 장착한다.

필터(77)는 후단이 막힌 원통형으로 구성되고, 그 전단부가 연결구(73)의 후단부에 축방향으로 형성된 환형의 고정홈(75)에 끼워짐으로써 케이싱(71)의 내부에 수용된다.

노즐(78)은 배출가스의 배출방향에 대응하도록 대략 훅 형태로 형성되며, 연결구(73)의 전단부에 나사결합되는 캡너트(79)에 의해 케이싱(71)에 연결된다.

그리고 각 요소들간의 연결부위는 고온에 충분히 견딜 수 있도록 흑연페룰(graphite ferrule)을 사용하는 것이 바람직하며, 워터재킷(10)의 전단에서 돌출되어 고온에 노출되는 피토관(40)과 온도센서(50) 및 가스흡입관(60)의 돌출단들은 노후 등 필요할 때 교체할 수 있도록 워터재킷(10)의 수용부분들과 분리되게 구성하여 연결너트(80) 등으로 결합하는 것이 바람직하다.

미설명 부호 13은 워터재킷(10)에 대한 냉각수의 공급을 제어하기 위한 냉각수 조절밸브이고, 400은 시료 채취관(100)을 지지하는 서포트이다.

이와 같이 구성되는 본 발명 실시예에 의한 배출가스 시료 채취장치(100)의 작용은 다음과 같다.

먼저, 다이옥신 등의 유해물질을 측정분석할 경우에는 워터재킷(10)의 라이너(20)에 가스시료 채취관(30)의 슬리브(31)를 그 후단으로부터 관통시킨 뒤 라이너(20)의 전단으로 노출된 슬리브(31)의 끼움부(35)에 노즐(32)의 삽입부(36)를 결합하고, 양자의 걸림턱(37)(38)에 클램프(39)를 장착하여 상호 고정시킨다. 이어서, 가스시료 채취관(30)의 후단에 형성된 확관부(33)를 임핀저 박스(200)의 원통여지(210)에 연결함과 동시에 피토관(40) 등의 다른 구성요소들을 해당 접속부에 각각 연결한 뒤, 그 전단부를 연도(1a)내에 투입한다.

이 상태에서, 콘트롤시스템(300)을 통해 시료 측정장치를 구동시키면, 임핀저 박스(200)의 흡입펌프에 의해 소각로(1)에서 배출되는 배출가스의 일부가 가스시료 채취관(30)의 노즐(32)을 통해 흡입된 뒤 슬리브(31)를 지나 임핀저 박스(200)의 원통여지(210)로 유입된다. 이때, 노즐(32)로 흡입된 약 1000℃ 내외의 고온의 배출가스 시료는 슬리브(31)를 지나면서 워터재킷(10)내를 순환하는 냉각수와의 열교환에 의해 현저히 냉각된 상태로 원통여지(210)로 유입된다. 본 발명자의 실험에 의하면, 약 1000℃의 배출가스 시료가 워터재킷(10)을 통과한 뒤 측정부로 유입되는 온도는 약 50℃ 정도로 낮아졌고, 워터재킷(10)에서 배출되는 냉각수의 온도는 약 40℃ 정도였다. 따라서, 채취된 시료로부터 분리된 유해물질이 상온에 가까운 온도대를 유지하는 바, 소각로(1)내에서의 유해물질 생성원인의 규명과 거동해석을 용이하게 측정분석할 수 있게 된다.

더욱이, 배출가스 시료의 흡입과 동시에 온도센서(50)에 의해 소각로(1)내의 온도가 지속적으로 측정되므로 배출가스의 온도에 따른 유해물질의 생성과 거동도 확실하게 파악할 수 있어 소각로(1)내에서의 유해물질의 생성원인과 거동의 규명을 보다 명확히 분석할 수 있게 된다.

이때, 가스시료 채취관(30)을 통해 흡입되는 시료는 배출되는 배출가스의 유속에 따라 그 흡입력이 적절히 가감되므로 배출가스의 유속에 따라 흡입속도를 조절하여 그와 등속으로 시료를 채취하게 된다. 즉, 콘트롤시스템(300)이 피토관(40)에 의해 측정된 배출가스의 전압과 정압으로부터 동압을 산출한 뒤 배출가스의 유속을 구하여 시료의 흡입력을 조절하게 되므로 배출가스의 유속변화에 따라 등속 흡입하여 시료를 채취할 수 있게 되는 것이다. 이와 같은 피토관(40) 역시 워터재킷(10)을 관통하고 있어 워터재킷(10)을 지나는 동안 적절히 냉각되므로 시스템의 구동에 아무런 지장을 주지 않는다.

그리고, 위와 같은 유해물질의 시료 채취와 동시에 가스유입관(60)을 통해 유입된 배출가스가 워터재킷(10)을 지나면서 상온에 가깝게 냉각되어 측정부로 공급기되기 때문에 소각로(1)에서 배출되는 전체 배출가스의 농도도 용이하게 측정할 수 있다.

한편, 소각로(1)에서 배출되는 먼지 등의 이물질을 채취하고자 할 경우에는, 워터재킷(10)의 라이너(20)로부터 가스시료 채취관(30)을 분리시키고, 라이너(20)의 전단에 먼지채취관(70)을 결합한다. 이 상태에서, 시료 채취장치(100)를 소각로(1)의 연도(1a)내에 투입한 뒤 구동시키면, 배출되는 배출가스의 일부가 먼지채취관(70)의 노즐(78)로 흡입되어 필터(77)를 통해 라이너(20)로 유입된다. 이때, 배출가스중에 포함된 먼지는 필터(77)에 포집되고, 순수한 가스입자만 라이너(20)로 유입되는데, 이와 같이 먼지가 걸러진 가스는 라이너(20)를 지나는 동안 워터재킷(10)에 의해 적절히 냉각된다.

다음에는 시료 채취장치(100)를 연도(1a)에서 빼내고, 라이너(20)로부터 먼지채취관(70)을 분리하여 그 케이싱(71)에서 연결구(73)를 분리하고 필터(77)를 케이싱(71)에서 빼낸 뒤 필터(77)를 연결구(73)로부터 분리하여 먼지를 채취하면 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 소각로의 연도에서 채취된 배출가스 시료를 상온에 가까운 온도대까지 냉각시켜서 측정부로 보낼 수 있으므로 배출가스의 온도가 약 1000℃ 이상인 소각로내에서 그 측정분석에 필요한 시료를 직접 채취할 수 있게 되어 소각로 내부에서 다이옥신 등의 유해물질이 생성되는 원인과 거동을 보다 확실하게 파악할 수 있어 유해물질 방지시설의 구성에 정확성을 부여할 수 있게 된다.

또한, 소형 소각로의 경우 연돌 배출가스(최종 배출구)의 온도가 1000℃가 되는 경우가 많은데, 이 경우에도 측정이 가능하게 된다.

따라서 본 발명은, 배출가스 시료 채취장치의 신뢰성과 정확성 향상과 함께 소각로 등의 유해물질 배출억제에 크게 기여하는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 냉각수가 순환되는 실린더형 워터재킷과 이 워터재킷을 축방향으로 관통하여 고정되는 라이너와 이 라이너를 관통하게 결합되며 후단은 원통여지에 연결되는 가스 시료채취관을 구비하는 배출가스 시료채취장치에 있어서,

   상기 워터재킷에는 배출가스의 유속에 따라 가스시료의 흡입력을 조절할 수 있게 하기 위한 배출가스의 유속을 측정하는 피토관과 배출가스의 온도를 측정하는 온도센서와 소각로에서 배출되는 배출가스의 농도를 측정하기 위한 가스유입관이 각각 관통하게 설치되며,

   상기 가스 시료채취관은 후단이 원통여지에 연결되는 슬리브와, 이 슬리브의 전단에 후단이 결합되며 라이너를 관통하며 노출되는 전단부는 그 축방향에 직교하게 절곡된 가스 시료채취노즐로 구성되는 것을 특징으로 하는 배출가스 시료채취장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스시료 채취관은 석영재질로 되는 것을 특징으로 하는 배출가스 시료 채취장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 슬리브의 전단부와 노즐의 후단부에는 상호 결합되는 원추형의 끼움부와 삽입부가 각각 구비되고, 상기 끼움부와 삽입부의 외주에는 걸림턱이 각각 형성되어 클램프에 의해 상호 결합고정되는 것을 특징으로 하는 배출가스 시료 채취장치.
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