KR101285786B1 - 용융 슬래그를 이용한 이산화탄소 저감 장치 - Google Patents

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Abstract

고온의 용융 슬래그와 이산화탄소를 함유하는 배가스를 이용한 이산화탄소 저감 장치가 개시된다. 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치는 용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저, 상기 슬래그 분체와 이산화탄소와의 탄화 반응을 위한 탄화 반응기, 및 상기 탄화 반응기내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치를 포함한다. 본 발명은 용철 제조공정시 발생하는 부산물인 고온의 용융 슬래그와 이산화탄소를 고농도로 함유하는 배가스를 반응시켜 탄산염으로 석출되도록 함으로써 용철 제조공정에서 발생하는 배가스로부터 이산화탄소 발생을 저감할 수 있다. 또한, 슬래그와 배가스와의 탄화 반응시 발생하는 반응열을 회수하여 이를 활용할 수 있음으로써 용철 제조공정의 에너지 효율을 높일 수 있다.

Description

용융 슬래그를 이용한 이산화탄소 저감 장치{CARBON DIOIXDE SEQUESTER USING MOLTEN SLAG}
본 발명은 이산화탄소 저감 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용철 제조공정에서 배출되는 고온의 용융 슬래그와 이산화탄소를 포함하는 배가스를 이용한 이산화탄소 저감 장치에 관한 것이다.
우리나라 총 이산화탄소 발생량 중 철강산업에서 배출되는 양은 20% 이상이며 이중 고로 및 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화로를 이용한 용철 제조공정에서 배출되는 양은 90% 이상이다.
고로 조업 또는 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화를 이용한 용철 제조 공정에서 발생하는 배가스(offgas)를 그대로 대기 중으로 방출하면 환경에 유해할 뿐 아니라 재활용할 수 있는 성분을 폐기하는 것으로서 자원 및 에너지 효율 측면에서도 바람직하지 않다.
또한 용철 제조공정에서 발생하는 배가스에 포함된 이산화탄소는 기후 변화의 원인으로 지목되고 있으며 이를 회수하여 이산화탄소의 발생을 저감시킬 필요가 있다.
용철 제조공정에서 발생되는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위하여는 부가적인 설비가 필요하며 이는 경제적으로 용철을 제조하는 데 걸림돌이 될 수 있다.
종래 기술의 경우, 용융 슬래그 중 알칼리 산화물과 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 고정화(격리)하였다. 고정화 반응은 이산화탄소를 포집할 수 있을 뿐만 아니라 반응시 생성되는 반응열을 회수하여 고정의 에너지 효율을 증대하는 것을 목적으로 하였으나 슬래그 중 알칼리 산화물은 생석회와 백운석 중 포함된 알칼리 산화물에 비하여 이산화탄소와의 반응성이 좋지 않아 이산화탄소를 고정화 및 반응열 회수에 효율적이지 않은 문제점 있다.
따라서, 슬래그를 통한 이산화탄소 고정화 외에도 슬래그의 고열을 활용한 이산화탄소 저감 기술이 요구되는 상황이다.
용철 제조공정 중 배출되는 슬래그의 온도는 약1,500℃이다. 일반적으로 이러한 고온의 용융 슬래그는 상온으로 냉각시켜 고상화시켜 시멘트 원료로 이용된다. 용선 1톤당 300kg의 슬래그가 발생된다고 가정하면, 상온으로 냉각됨에 따라 버려지는 열은 용선 1톤당 슬래그 발생에 의해 444MJ이다.
용철 제조공정에서는 막대한 양의 슬래그가 배출되므로 국내 및 전세계적으로 버려지는 슬래그의 현열을 이산화탄소 재활용 및 저감에 이용한다면 용철 제조공정의 경쟁력 확보에 도움이 될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 용철 제조공정에서 발생하는 고온의 용융 슬래그의 열(현열 및 잠열)을 이용하여 용철 제조공정 중 배출된 이산화탄소를 미분탄과 반응시켜 이산화탄소를 저감할 수 있는 이산화탄소 저감 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이산화탄소 저감 장치는 용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저, 상기 슬래그 아토마이저와 연결되며, 이산화탄소와 미분탄을 포함하는 혼합가스를 취입하고 상기 슬래그 분체 형성시 발생하는 열에 의해 상기 이산화탄소와 미분탄을 반응시키는 반응 챔버, 및 상기 반응 챔버와 분체 이송도관에 의해 연결되며, 용철 제조공정에서 배출되는 배가스 및 미분탄을 취입하고 상기 분체 이송도관을 통해 상기 반응 챔버로부터 공급된 슬래그 분체와 상기 용철 제조공정에서 배출된 배가스 중에 포함된 이산화탄소를 반응시키는 탄화 반응로를 포함하며, 상기 반응 챔버내 취입되는 혼합가스는 혼합가스 공급도관을 통해상기 탄화 반응로로부터 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 저감 장치는 상기 탄화반응로에 상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급도관, 및 상기 배가스 공급도관으로부터 분기되어 상기 배가스 공급도관에 미분탄을 공급하는 미분탄 공급장치를 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 저감 장치는 상기 배가스 공급도관과 연결되며, 상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스로부터 타르 또는 탄화수소 화합물을 연소시키기 위한 가열 장치를 더 포함할 수 있다.
상기 탄화 반응로는 유동층형 탄화 반응로일 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시에에 의한 이산화탄소 저감 방법은 용융 슬래그를 제공하는 단계, 상기 용융 슬래그를 슬래그 아토마이저에 장입하여 슬래그 분체를형성하는 단계, 미분탄과 이산화탄소를 포함하는 혼합가스를 반응 챔버에 취입하고 상기 슬래그 분체 형성시 발생하는 열을 이용하여 상기 미분탄과 이산화탄소를 반응시키는 단계, 및 상기 반응 챔버에서 배출된 슬래그 분체를 탄화 반응로에 장입한 후 용철 제조공정에서 배출되는 배가스와 미분탄을 취입하여 상기 슬래그 분체와 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 반응시키는 단계를 포함하며, 상기 반응 챔버내 취입되는 혼합가스는 상기 탄화 반응로로부터 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 저감 방법은 상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 가열하여 배가스내 포함된 타르 또는 탄화수소 화합물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치에 따르면, 용철 제조공정에서 발생하는 부산물인 고온의 용융 슬래그의 열을 이용하여 이산화탄소를 포함하는 배가스와 미분탄이 반응하여 일산화탄소를 생성시킬 수 있다. 이렇게 생성된 일산화탄소는 용철 제조공정에 보내어 철광석의 환원에 재활용할 수 있다.
또한, 상기 반응의 반응열에 의해 냉각된 슬래그를 이산화탄소와 반응시켜 추가적으로 이산화탄소를 격리시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치의 구성을 개략적으로나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 방법의 공정도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이산화탄소 저감 장치에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치의 구성을 개략적으로나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치는
용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저(10), 상기 슬래그 아토마이저(10)와 연결되며, 이산화탄소와 미분탄을 포함하는 혼합가스를 취입하고 상기 슬래그 분체 형성시 발생하는 열에 의해 상기 이산화탄소와 미분탄을 반응시키는 반응 챔버(20), 및 상기 반응 챔버(20)와 분체 이송도관(30)에 의해 연결되며, 용철 제조공정에서 배출되는 배가스 및 미분탄을 취입하고 상기 분체 이송도관(30)을 통해 상기 반응 챔버(20)로부터 공급된 슬래그 분체와 상기 용철 제조공정에서 배출된 배가스 중에 포함된 이산화탄소를 반응시키는 탄화 반응로(40)를 포함하며, 상기 반응 챔버(20)내 취입되는 혼합가스는 혼합가스 공급도관(50)을 통해 상기 탄화 반응로(40)로부터 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 용융 슬래그는 용철 제조공정의 부산물로 배출되는 것으로 산화칼슘(CaO) 및 산화마그네슘(MgO) 등을 포함하며 온도는 약 1,500℃ 이상일 수 있다.
상기 용융 슬래그는 매우 고온이기 때문에 상온으로 냉각되는 과정에서 용융 슬래그가 보유하는 현열 및 잠열이 방출되게 된다. 예를 들어, 용선 1톤당 300kg의 슬래그가 발생된다고 가정하면, 슬래그의 냉각에 의해 용선 1톤당 발생되는 열은 약 444MJ이다.
상기 용철 제조공정은 소결광과 코크스를 장입하여 용철을 제조하는 고로 조업 공정을 포함하며 또한, 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화로를 이용하여 용철을 제조하는 파이넥스 공정(FINEX®)의 충전층형 환원로와 용융 가스화로를 이용하여 용철을 제조하는 코렉스 공정(COREX®)을 포함한다.
상기 용융 슬래그를 슬래그 아토마이저(10)(slag atomizer)에 장입하면, 용융 슬래그가 중력에 의해 낙하하면서 미세한 슬릿을 통해 상기 슬래그 아토마이저(10)와 연결된 반응 챔버(20)내로 분사되며 미세한 슬래그 분체를 형성하게 된다.
슬래그 아토마이저(10)는 하단으로 갈수록 외경이 작아지는 깔대기 형상을 가지며 용융 슬래그를 장입하여 중력에 의해 하단부에 형성된 ~1mm 크기의 슬릿(slit)을 통해 분무되어(sprayed) 슬래그 분체를 형성하게 된다. 상기 고온의 용융 슬래그가 분무되어 형성되는 슬래그 분체의 온도는 약 1,000℃ 범위를 갖는다.
한편, 상기 용융 슬래그 분체를 용이하게 형성하도록 상기 슬래그 아토마이저(10)에 가스 분사장치(미도시)를 도입함으로써 슬래그의 분사를 가속화 시킬 수 있다.
상기 슬래그의 비중은 약 2.6이며, 슬래그의 표면장력은 약 0.40N/m2 이다.
용융 슬래그가 아토마이저의 미세한 슬릿을 통해 분사될 때, 1mm 이하의 미세한 드롭(droplet)을 형성한다. 이러한 미세한 드롭의 비표면적은 2.3m2/kg으로 매우 넓어 열을 발산할 수 있는 면적이 매우 넓다.
보다 상세하게, 슬릿을 통해 용융 슬래그가 분사될 때 슬래그의 표면장력이 ~0.4N/m2로 매우 높으므로 널리 알려진 유체의 불안정성(Instability) 현상 중의 하나인 Plateau-Rayleigh Instability에 의해 입도가 광범위한 10㎛~1mm의 슬래그 분말 형성이 가능하다.
용융 슬래그의 온도는 약 1,500℃ 이나 분사되어 슬래그 분체를 형성시 매우 빠르게 1,000℃로 냉각되며 이때 생성되는 발열량은 아래 식에의해 용선 1톤당 151MJ이다.
1.004kJ/kg℃ x (1,500℃-1,000℃) x 300kg/ton hot metal
= 151MJ/ton hot metal ···· (3)
상기와 같이 생성된 발열량은 반응 챔버(20)에서 탄화 반응로(40)에서 공급된 미분탄과 이산화탄소 함유 혼합가스로부터 미분탄과 이산화탄소의 부도아 반응(Boudouard reaction)을 돕는다.
부도아 반응의 반응식은 아래와 같다.
CO2 + C = 2CO (반응열: 160kJ/mol) ····(4)
상기 식(3)에 의해 발생된 열량은 이산화탄소와 탄소가 반응하여 일산화탄소를 생산하는 부도아 반응에 의해 이산화탄소 938mol/ton hot metal(41kg CO2/ton hot metal)를 저감시키면서 일산화탄소 1,876mol/ton hot metal을 발생시킨다. 발생된 일산화탄소는 반응 챔버의 배가스 도관(25)을 통해 배출되며, 다시 용철 제조공정에 철광석 환원을 위해 사용될 수 있다.
상기 일산화탄소의 양을 탄소량으로 환산하면 22kg/ton hot metal이 되며, 용철 제조공정중, 예를 들어 고로 공정중에 탄소 사용량이 약 400kg/ton hot metal이라고 가정할 때, 용융 슬래그의 활용에 의해 이산화탄소를 재활용하면 용철 제조공정 중 탄소 사용량을 약 5% 정도 절약할 수 있다.
상기 반응 챔버(20)내에서 낙하된 슬래그 분체는 냉각되어 분체 이송도관(30)을 통해 중력에 의해 탄화 반응로(40)로 장입된다. 상기 탄화 반응로(40)는 용철 제조공정에서 배출되는 이산화탄소를 함유하는 배가스와 미분탄이 취입된다.
상기 미분탄과 이산화탄소를 함유하는 배가스는 상기 탄화 반응로(40)에서 유동층을 형성하고, 상기 슬래그 분체와 이산화탄소가 반응하여 슬래그 내의 알칼리 염이 탄화되면서 이산화탄소를 제거하게 된다.
상기 슬래그 분채내의 알칼리 염과 이산화탄소의 탄화반응은 아래식으로 나타낼 수 있다.
CaO + CO2 → CaCO3 (반응열: 179kJ/mol) ····(1)
MgO + CO2 → MgCO3 (반응열: 117kJ/mol) ····(2)
상기 반응열 및 아래에 기술한 가열 장치(80)에서 이산화탄소 함유 배가스 내의 타르 또는 탄화수소 화합물의 연소열에 의해 상기 탄화 반응로(40)는 700~800℃를 유지할 수 있다.
알칼리 염의 탄화반응은 가스를 제거하는 반응이므로 반응에 의해 가스 부피가 감소한다. 그러므로, 반응 효율을 증대하기 위해서는 고압 조업이 요구되며 상기 탄화 반응로(40)의 압력을 5~10bar로 유지할 경우, 반응속도의 증가에 유리할 수 있다.
상기 탄화 반응로(40)에서 이산화탄소와 반응한 슬래그 분체는 탄산염으로 석출되어 탄산염 배출관(45)을 통해로 외부로 배출된다.
상기 탄화 반응로(40)에 이산화탄소 함유 배가스와 함께 혼합되어 취입된 미분탄은 탄화 반응로(40)의 내부 열에 의해 예비적으로 가열이 된다.
슬래그 분체 내의 알칼리 염과 이산화탄소의 반응 속도는 고체상태에서의 반응이므로 반응속도가 높지 않아 반응에 참여하지 않은 이산화탄소는 예비 가열된 미분탄과 함께 상기 탄화 반응로(40)에서 배출되어 혼합가스 도관을 통해 상기 반응 챔버(20)에 취입된다.
즉, 반응 챔버(20)에 취입되는 이산화탄소와 미분탄을 포함하는 혼합가스의 공급원은 상기 탄화 반응로(40)에서 탄화반응에 참여하지 못하고 배출되는 미반응된 이산화탄소 함유 배가스 및 미분탄이 된다.
한편, 용철 제조공정에서 배출되는 배가스는 상기 탄화 반응로(40)에 취입전에 가열 장치(80)에 취입되어 공기 또는 산소를 취입하여 배가스 내에 존재하는 타르 또는 탄화수소 화합물을 연소시키게 된다. 타르와 탄화수소 화합물을 연소시킴으로써 배가스 내에 이산화탄소가 농축되게 된다.
상기 가열 장치(80)에서 일어나는 타르 등의 연소 반응은 아래식 (3)과 같다.
C + O2 → CO2 (반응열: 396kJ/mol) ----(3)
상기 반응열에 의해 이산화탄소 함유 배가스의 온도를 추가적으로증가시킬 수있다.
상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스는 배가스 중 이산화탄소 만을 분리함으로써 이산화탄소가 고농도로 포함된 배가스인 이산화탄소 테일 가스(CO2 tail-gas)가 이용될 수 있다.
상기 이산화탄소가 농축된 용철 제조공정에서 배출되는 배가스는 배가스 공급도관(60)을 통해 상기 탄화 반응로(40)에 취입되며, 상기 배가스 공급도관(60)으로부터 분기된 관을 통해 미분탄 공급장치(70)로부터 미분탄이 배가스 공급도관(60)내의 배가스와 혼합되어 상기 탄화 반응로(40)에 취입된다.
탄화 반응로(40)에 취입된 미분탄과 이산화탄소 함유 배가스는 가열되면서 탄화 반응로(40)에서 유동층내에서 슬래그 분체와 반응하여 슬래그 분체의 탄화가 일어나게 된다.
도 2는 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 방법의 공정도이다.
본 발명에 의한 이산화탄소 저감 방법은 용융 슬래그를 제공하는 단계(S10), 상기 용융 슬래그를 슬래그 아토마이저(10)에 장입하여 슬래그 분체를 형성하는 단계(S20), 미분탄과 이산화탄소를 포함하는 혼합가스를 반응 챔버(20)에 취입하고 상기 슬래그 분체 형성시 발생하는 열을 이용하여 상기 미분탄과 이산화탄소를 반응시키는 단계(S30), 및 상기 반응 챔버(20)에서 배출된 슬래그 분체를 탄화 반응로(40)에 장입한 후 용철 제조공정에서 배출되는 배가스와 미분탄을 취입하여 상기 슬래그 분체와 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 반응시키는 단계(S40)를 포함하며, 상기 반응 챔버(20)내 취입되는 혼합가스는 상기 탄화 반응로(40)로부터 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화탄소 저감 방법은 상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 가열하여 배가스내 포함된 타르 또는 탄화수소 화합물을 제거하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에서는 용철 제조공정에서 배출되는 이산화탄소가 농축된 배가스를 탄화 반응로에서 반응시켜 이산화탄소의 일부를 제거하고, 탄화 반응로에서 반응에 참여하지 못한 여분의 이산화탄소 함유 배가스 및 미분탄을 가스 챔버에 취입하여 용융 슬래그의 열을 이용하여 반응시킴으로써 많은 양의 이산화탄소를 저감시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예 들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 슬래그 아토마이저 20 : 반응 챔버
25 : 반응 챔버의 배가스 도관 30 : 분체 이송도관
40 : 탄화 반응로 45 : 탄산염 배출관
50 : 혼합가스 공급도관 60 : 배가스 공급도관
70 : 미분탄 공급장치 80 : 가열 장치

Claims (6)

  1. 용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저;
    상기 슬래그 아토마이저와 연결되며, 이산화탄소와 미분탄을 포함하는 혼합가스를 취입하고 상기 슬래그 분체 형성시 발생하는 열에 의해 상기 이산화탄소와 미분탄을 반응시키는 반응 챔버; 및
    상기 반응 챔버와 분체 이송도관에 의해 연결되며, 용철 제조공정에서 배출되는 배가스 및 미분탄을 취입하고 상기 분체 이송도관을 통해 상기 반응 챔버로부터 공급된 슬래그 분체와 상기 용철 제조공정에서 배출된 배가스 중에 포함된 이산화탄소를 반응시키는 탄화 반응로를 포함하며,
    상기 반응 챔버내 취입되는 혼합가스는 혼합가스 공급도관을 통해상기 탄화 반응로로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화반응로에 상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급도관; 및
    상기 배가스 공급도관으로부터 분기되어 상기 배가스 공급도관에 미분탄을 공급하는 미분탄 공급장치를 더 포함하는 이산화탄소 저감장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배가스 공급도관과 연결되며, 상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스로부터 타르 또는 탄화수소 화합물을 연소시키기 위한 가열 장치를 더 포함하는 이산화탄소 저감 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화 반응로는 유동층형 탄화 반응로인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 장치.
  5. 용융 슬래그를 제공하는 단계;
    상기 용융 슬래그를 슬래그 아토마이저에 장입하여 슬래그 분체를형성하는 단계;
    미분탄과 이산화탄소를 포함하는 혼합가스를 반응 챔버에 취입하고상기 슬래그 분체 형성시 발생하는 열을 이용하여 상기 미분탄과 이산화탄소를 반응시키는 단계; 및
    상기 반응 챔버에서 배출된 슬래그 분체를 탄화 반응로에 장입한 후 용철 제조공정에서 배출되는 배가스와 미분탄을 취입하여 상기 슬래그 분체와 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 반응시키는 단계를 포함하며,
    상기 반응 챔버내 취입되는 혼합가스는 상기 탄화 반응로로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 용철 제조공정에서 배출되는 배가스를 가열하여 배가스내 포함된 타르 또는 탄화수소 화합물을 제거하는 단계를 더 포함하는 이산화탄소 저감 방법.
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