KR20100119928A - 순수산소를 이용한 고효율 보일러의 순수산소 연료 혼합가스 연소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 종류의 보일러에서 산소를 이용하여 연료를 연소시킬 때 순도 100%인 액화산소를 공급하는 순수산소를 열원으로 하는 보일러 연소방식에 관한 것으로 연소시 높은 온도의 열을 발생시킬 수 있어 보일러의 열효율을 획기적으로 증대시켜 연료비를 크게 절감시킨 보일러의 순수산소 연소방식에 관한 발명이다. 즉 산소저장용기의 순수 액화산소를 이용하게 되므로 완전연소가 가능하여 실내에서도 보일러를 쾌적하게 사용할 수 있으며, 불꽃의 온도가 높아 연료비를 절감할 수 있는 친환경적인 고효율 연소방식에 관한 것이다. 이러한 액화산소를 이용한 보일러의 순수산소 연소방식은 연료의 소모가 많은 농업용, 산업용 보일러 뿐만 아니라 가정용 보일러나, 스팀 보일러에도 적용 가능하다. 또한 순수 액화산소를 이용한 보일러의 연소방식에 사용되는 연료는 LNG, LPG 및 경유, 등유 등 석유를 연료로 이용하는 경우에 사용된다. 보일러에서 연료가 연소될 때, 연료와 혼합되는 순수산소가 85중량% 이상이 되면 연소가 원활하지 못하며, 순수산소가 65중량% 이하가 되면 불꽃의 온도가 원하는 온도까지 높게 발생되지 않고 연료의 소모가 많아 비효율적이된다. 따라서 보일러에서 연소되는 연료와 순수산소의 혼합비율은 연료 15~35중량%에 순수산소 65~85중량%의 비율로 혼합하여 연소시킨다.

본 발명의 순수 액화산소를 이용한 보일러의 연소방식은 불꽃의 온도를 크게 높일 수 있어 보일러의 열효율을 크게 증대시킬 수 있고, 연소시 순수 산소가 충분히 공급되어 완전 연소가 되므로 환경오염물질의 배출이 없어 대기의 환경을 크게 개선시킬 수 있는 기술을 제공할 수 있는 것이다.

보일러, 연료, 고효율, 연소장치, 액화산소

Description

순수산소를 이용한 고효율 보일러의 순수산소 연료 혼합가스 연소방법{A combustion method of pure oxygen-fuel mixing gas used of the pure oxygen in boiler}

본 발명은 가정용 보일러 또는 산업용, 농업용 및 상업용 보일러에 있어서 산소를 열원으로 하는 연소방식에 관한 것으로 연소시 순수산소의 비율을 크게 높여 연료를 완전 연소시키고 연소 온도를 고온으로 하여 연료비를 획기적으로 절약할 수 있는 고효율 보일러에 관한 발명이다. 연료와 순수산소를 혼합시켜 연소시키는 연소방식으로 보일러의 연료를 절감시키고 열효율을 증대시키기 위한 발명이다. 이를 위해 창안된 본 발명은 보일러에서 연료가 연소될 때 순수 액화산소를 기화시켜 연료와 일정비율로 혼합하고, 이를 보일러의 연소장치에 공급하여 연소시키는 연소장치 및 액화산소와 연료의 혼합방법이 제공된다.

보일러는 농업용이나 산업용 뿐만 아니라 주택 난방용으로도 많이 사용되고 있으며, 보일러의 종류에는 관류보일러, 노통연관식보일러 및 수관식보일러로 구분할 수 있다. 상기 관류보일러에는 스팀보일러, 온수보일러 및 진공보일러로 구분하고, 노통연관식보일러는 가스연소보일러, 오일연소보일러, 가스와 오일연소보일러, 온수보일러가 있으며 좁은 공간에 간단하게 설치할 수 있는 장점이 있다. 수관식보일러는 가스연소보일러, 오일연소보일러, 가스와 오일연소보일러가 있고 중형 이상의 크기에 발전용 등으로 많이 사용되고 있다. 주택 난방용으로 많이 사용되는 가스보일러에는 자연배기식, 강제배기식 및 강제급배기식 보일러가 있으며 자연배기식이나 강제배기식은 전용보일러실이 필요하지만 강제급배기식은 장소에 크게 구애받지 않고 설치할 수 있다.

상기의 보일러의 연료는 통상 경유나 가스를 사용하고 있으며, 최근 국제적인 유가 급등으로 보일러의 연료비가 크게 증가되어 보일러의 연료비를 낮추기 위한 여러 가지 대안이 제시되고 있다. 이러한 보일러의 연료비를 해결하기 위하여 본 발명은 열효율이 높은 순수 액화산소를 이용하여 연료를 연소시키는 방식을 개발하게 되었다. 본 발명자가 개발한 국내 등록특허 제10-0886568호에는 순수산소를 연료가스와 혼합하여 보일러의 열효율을 극대화시킨 발명이 개발되었다. 상기 선등록 특허에서는 연료에 혼합되는 순수산소의 함량을 15~38%로 혼합하는 기술이 개시되어 있으나, 상기와 같은 비율의 순수산소를 혼합하는 경우 보일러의 열효율이 제한적이고, 또한 연료 절감효과가 크지 않은 문제점이 있었다. 따라서 본 발명에서는 보일러의 효율을 높이기 위하여 액화산소용기에 들어 있는 순수산소만을 공급하여 연료를 연소시키되 이때 순수산소의 함량을 연료에 비해 약 3배가량 증대시킴으로써 연료의 소모를 획기적으로 절감하고 보일러의 불꽃 온도를 크게 향상시키는 기술을 개발하였다.

또한, 국내 공개특허공보 제2000-50188호에는 보일러에 산소를 공급하는 방 법 및 그 장치에 관한 것으로 보일러 버너의 공기 공급부에 제오라이트 충진층을 통과한 양질의 산소를 공급하는 구조로 구성되어 있다. 즉, 보일러 버너에 공급되는 산소는 공기를 제오라이트 충진층을 통과시켜서 발생된 산소를 이용한다. 보일러의 버너에 공급되는 공기는 제오라이트 충진층에 강압적으로 공기를 공급하거나, 송풍팬의 흡입력에 의해 흡입되는 공기를 제오라이트 충진층을 통과하도록 구성되어야 하므로 이와 같은 종래 기술은 제오라이트 충진층 및 송풍팬 등의 기술이 추가적으로 구성되어져야 한다. 또한 상기 종래 기술은 공기 중의 질소를 일부 걸러 보일러 버너에 공급되는 공기 중 산소의 함량을 증대시키는 산소공급 장치에 관한 기술로 본원 발명의 순수 산소를 열원으로 하여 연료를 연소시키는 기술과는 본질적인 차이가 있으며, 이와 같은 종래 기술로는 열효율을 개선할 수 없고 연소배출 가스로 인한 대기환경이 오염되는 문제가 있다.

최근 국제 유가 및 에너지 가격이 급등함에 따라 보일러를 이용하는 각 가정과 산업계에서 보일러의 연료비로 인한 부담이 크게 증대되고 있으며, 이를 절감하기 위한 다양한 기술들이 개발되고 있다. 그리고 화석연료의 과다한 사용으로 인하여 환경오염 문제가 인류생존의 중요한 문제로 부각되고 있다. 그러므로 화석에너지를 주로 사용하는 에너지 다소비 설비인 보일러는 에너지비용의 절감 및 환경오염 저감을 위해 설비의 최적설계가 기본적으로 요구되고 있다. 보일러와 같은 고온 열시설물에서는 질소산화물(NOx) 등의 환경오염물질의 배출이 증대되므로 이를 낮추기 위한 기술을 적용해야 한다. 그리고 LPG 가스 등의 연료를 통상의 보일러에서 연소시킬 때 고온화에 한계가 있기 때문에 고효율을 내기 위하여 열설비의 고온화가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 보일러에 사용되는 연료를 연소시킬 때 순수 액화산소를 기화시켜 연료와 혼합하고 노즐을 통하여 보일러 버너부(8)에 분사시켜 준다. 이 때 보일러의 연료는 LPG, LNG 등의 가스나 경유, 등유 등이 사용된다. 이와 같이 보일러의 효율을 높이기 위하여 사용되는 상기 연소방식에서 연료와 혼합되는 순수산소의 비율은 연료 15~35중량%에 순수산소 65~85중량%의 비율로 혼합하여 사용한다. 상기와 같은 비율로 순수 액화산소를 연료와 혼합하여 완전 연소시키는 경우 연료 소모량은 통상 보일러에서 사용되는 연료 소모 량 보다 약 20% 정도 감소되어 연료비를 크게 절감할 수 있다. 특히 순수 액화산소의 비용은 상대적으로 저렴하고 보일러의 연료로 사용되는 LPG, LNG, 경유 및 등유 등은 국제 유가 및 천연가스가격의 급등으로 가격이 높게 형성되어 있어 최근의 국제 에너지 환경에서는 더욱더 순수 액화산소를 이용한 연소방식이 절실한 실정이다.

본 발명의 순수 액화산소를 기화시켜 산소를 열원으로 하는 연료 혼합가스 연소방식으로 연료에 순수 액화산소를 충분히 혼합하여 연소시키기 때문에 연료가 완전 연소된다. 또한 순수한 액화산소를 이용하여 연소시키기 때문에 불꽃의 온도가 기존 보통 보일러보다 훨씬 높아 보일러의 열효율이 그만큼 좋게 되며, 그에 따라 보일러 연료비를 크게 절감할 수 있게 된다. 실제 사용해본 결과 순수 액화산소 비용을 합하더라도 보일러의 연료비가 기존 보일러보다 약 20% 절감되는 것으로 나타났다. 그리고 순수 액화산소를 이용하여 연료를 연소시킴으로써 공기를 이용하여 연소시킬 때 불완전 연소되어 발생되는 탄화수소(HC)나 산화질소(NOx) 등 대기오염물질이 발생되지 않아 대기환경도 크게 개선되는 효과가 있다. 그리고 순수 액화산소는 가연성이 없어 저장 및 운반시 폭발의 염려가 없으므로 취급이 용이하다. 반면에 수수가스나 브라운가스를 이용한 보일러 연소방식은 보일러의 설비가 복잡하고 대형으로 연소시설을 만들어야 하기 때문에 설비비가 많이 드는 문제점이 있다. 본 발명의 순수 액화산소를 이용한 연료 연소방식은 비교적 좁은 공간에서 간단하게 시설을 설치할 수 있어 설치비용이 저렴하다. 그리고 순수 액화산소의 저장 용기는 용량이 커서 한꺼번에 대용량으로 저장하기 때문에 운반 및 저장을 용이하게 할 수 있다.

본 발명은 액화산소용기(1)의 순수 액화산소를 기화시켜 연료와 함께 혼합하고, 이 순수산소 연료 혼합가스를 보일러 버너부(8)에 분사시켜 연소하게 된다. 버너부에서 혼합가스가 연소될 때 불꽃 온도는 혼합가스 중의 순수산소 비율을 높여 줌으로써 연소온도를 조절할 수 있으며, 연료의 추가적인 소비 없이도 연소온도가 높아지게 되어 보일러의 열효율이 크게 증대되고, 연료비는 크게 절감할 수 있다. 이하 본 발명의 바람직한 실시예인 순수 액화산소를 기화시켜 연료와 혼합한 후 이를 보일러의 버너부(8)에 분사하여 연소시키는 순수 액화산소를 이용한 고효율 보일러의 연료 연소방식에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도면 1은 본 발명 연료 연소방식의 바람직한 실시예를 실시하기 위한 액화산소용기 및 순수 액화산소 공급계통, 연료의 공급계통, 보일러 버너부의 상호 관련성을 도시한 실시 상태도를 도시한 것이다. 본 발명의 보일러 버너부(8)에 공급되는 순수산소 연료 혼합가스는 액체상태로 액화산소용기(1)에 보관된 순수산소를 기화시켜 연료와 일정비율로 혼합된 것이다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 순수 액화산소용기(1)의 액화산소는 기화기(2)에서 기화시키고 산소 레귤레이터(5)에서 균일하게 조정되어 보일러 연료와 혼합되며, 순수산소와 혼합된 상기 연료 혼합가스가 보일러 버너부(8)에 분사되어 연소하게 된다. 보일러 버너부(8)에 불꽃을 점화시키기 위해서 별도로 설치된 점화연료관(10)의 연료를 이용하는 방법과 점화연료관(10)을 별도로 설치하지 않고 혼합가스연료관(11)의 연료를 이용하는 방법이 있으며, 보일러 버너부의 점화방법의 선택은 보일러 설계시 이 두가지 방법 중 하나를 채택하여 설계함으로써 정해진다. 점화연료관(10)을 별도로 설치한 경우엔 먼저 점화연료관의 연료로 보일러 버너부에 불꽃을 점화시키고, 그 다음 혼합가스연료관(11)의 순수산소 연료 혼합가스를 버너부에 연속 분사함으로써 고온의 화염이 지속적으로 발생하게 된다. 보일러 버너부(8)에 분사된 순수산소 연료 혼합가스는 고온의 화염을 내며 연소되는데 혼합가스 중에 순수산소 비율을 65~85중량% 범위에서 조절하여 버너부의 화염 온도를 조절하며, 화염의 온도는 연료와 혼합되는 순수산소의 함량이 증가할수록 온도가 상승하고 열효율이 증대된다. 기존 보통 보일러의 불꽃은 약 700~1000℃ 온도로 연소되나, 본 발명의 순수 액화산소를 기화시켜 연료와 혼합하는 순수산소 혼합가스 연소방식은 보일러 버너부의 불꽃 온도를 3000~3500℃까지 상승시킬 수 있어 보일러의 열효율을 획기적으로 높일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 보일러 연료는 LPG, LNG, 경유 및 등유 등이 사용되며, 연료에 혼합되는 순수산소의 비율이 65~85중량% 범위일 때 보일러의 열효율이 가장 좋았으며, 순수산소와 혼합되어 보일러에서 연소시킬 수 있는 경우 상기 연료만 한정하여 사용하는 것은 아니다.

보일러 연료와 혼합되는 순수산소의 비율이 85중량% 이상이 되면 순수산소와 혼합되는 연료의 농도가 희박하여 불꽃의 점화 및 연소가 불량하게 되고, 순수산소의 비율이 65중량% 이하가 되면 순수산소와 혼합되는 연료의 농도가 너무 높아 착화가 불규칙하고 연료소모가 과다하게 된다. 따라서 액화산소용기의 액화산소를 기화시 켜 보일러 연료와 혼합되는 순수산소가 65~85중량%로 하고 보일러 연료를 15~35중량%로 하였을 때 불꽃의 점화가 양호하고 가장 열효율이 좋다.

본 발명은 순수 액화산소를 열원으로 하는 순수산소 연료 혼합가스 연소방식 및 보일러에 관한 것이다. 순수 액화산소를 이용하여 연소시키는 보일러 연료는 LPG, LNG, 경유 및 등유 등의 화석연료가 사용되며, 본 실시예에서는 LPG를 순수 액화산소와 혼합하여 연소시켰다. 상기 순수 액화산소는 액화산소용기의 액화산소를 기화기에서 기화시키고 이를 LPG와 일정비율 혼합하여 보일러 버너부에 분사하여 연소시켰다. 시중에 판매되는 LPG 가스의 조성을 보면 보통은 프로판(C3H8) 60~80%, 부탄(C4H10) 15~30%, 에탄(C2H6) 5%로 구성되어 있으며 각 성분의 조성 비율은 계절 및 용도에 따라 차이가 있다.

보일러 연료로 사용되는 LPG의 조성은 프로판 70%, 부탄 25% 및 에탄 5%의 비율로 구성되며, 시판되는 LPG 1통 20Kg을 완전히 연소하기 위해서는 73Kg의 순수산소가 필요하다. LPG 연료를 순수산소로 연소시켰을 경우 발생되는 기체 및 발열량은 다음과 같다. 즉 LPG의 조성이 되는 프로판, 부탄 및 에탄은 그 구조식이 탄소(C)와 수소(H)로 구성되어 있으며, 연소시 그 반응식과 양적관계는 다음과 같다.

C + O₂ → CO₂ + 97200kcal/kmol

12Kg 32Kg 44Kg

H2 + 1/2O₂ → HO₂ + 68400kcal/kmol

LPG의 조성중 에탄(C2H6)은 발열반응을 하며, 반응식은 다음과 같다.

C2H6 + 3(1/2)O2 → 2CO₂ + 3H2O

LPG의 조성중 프로판(C3H8)도 다음과 같이 발열반응을 하며 프로판 1Kg에 12000kcal의 열이 발생된다.

C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H2O

LPG의 조성중 부탄(C4H10)은 다음과 같은 발열반응을 하며, 이때 발생되는 열은 부탄 1Kg에 11800kcal의 열이 발생된다.

C4H10 + 6(1/2)O₂ → 4CO₂ + 5H2O

시판되고 있는 LPG 1통의 무게는 20Kg이며, 이 중 70%가 프로판이라면 프로판의 무게는 14Kg이고, 부탄이 25% 들어 있다면 무게가 5Kg이며, 에탄이 5%라면 무게로 1Kg이 들어있게 된다. 보일러 연료로 사용되는 LPG에 혼합되는 적정 순수산소의 양은 65~85중량%이므로, 시판되는 LPG 20Kg 한통을 완전연소시키기 위해서는 순수산소가 약 37Kg 내지 113Kg이 필요하다. 보다 더 바람직하게는 60~80Kg의 순수산소가 필요하며, 보일러 발열량을 증대시키기 위해서는 연료의 사용량을 늘리면서 연료와 혼합되는 순수산소의 비율을 증대시키면 온도가 점차 높아지고, 최고 3500℃까지 발열하게 된다.

상기 반응식을 보면 LPG 연료를 액화산소용기(1)의 순수산소를 이용하여 연소시킬 경우 공기 중의 산소를 이용하여 연소하는 것이 아니므로 이산화질소가 배출되지 않는다. 그리고 에탄(C2H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10)으로 구성된 LPG 가스는 발열반응과 함께 CO2와 물로 완전연소되므로 실질적으로 오염물질의 배출이 없게 되며, 이와 같은 순수산소를 이용한 연소방식의 보일러는 적은 연료를 소모하면서도 발열량이 많아 열효율을 크게 증대시킬 수 있다.

상기 실시예에서는 LPG 가스를 보일러 연료로 사용하였을 경우만 기재하고 있으나 LNG, 경유 및 등유의 경우에도 순수 액화산소를 이용하여 완전 연소시킬 수 있고 이에 따른 설비 변경의 어려움 없이 이용할 수 있으므로 본 발명은 연료의 종류를 한정하는 것은 아니다.

본 발명은 순수산소를 연료와 혼합하여 고온으로 연소시킴으로써 보일러 버너부(8)의 화염 온도를 높여 보일러의 열효율을 증대시키기 위한 순수산소를 이용한 연료 연소방식에 관한 것이다. 본 발명에서 LPG 연료와 혼합되는 순수산소는 별도의 액화산소용기(1)을 설치하여 이로부터 순수산소를 공급받아 연료와 혼합하여 보일러 버너부에서 연소시킨다.

보일러 버너부(8)에 공급되는 산소는 공업적으로 생산된 순수산소를 압력용기에 액체상태로 액화산소용기(1)에 저장하였다가 기화시켜서 연료와 일정비율 혼합하여 보일러 버너부(8)에 분사한다. LPG 연료와 혼합되는 액화산소용기(1)으로부터 공급되는 순수산소는 LPG와 혼합되었을 때 혼합가스 내에 LPG가 15% 이상인 경우 연소하기 시작하고 연소시 화염의 온도는 LPG 가스와 혼합되는 순수산소의 공급량으로 조절한다. 처음 보일러 버너부(8)의 불꽃을 점화시킬 때는 점화연료관(10)으로부터 공급되는 LPG를 이용하여 점화시키고, 보일러 버너부(8)에서 불꽃이 점화된 뒤에는 혼합연료관(11)으로부터 순수산소와 LPG가 혼합된 순수산소 연료혼합가스가 지속적으로 분사되어 연소되게 된다. 이때 순수산소는 LPG와 혼합되어 순수산소 연료혼합가스가 되는데 순수산소 65~85중량%와 LPG 15~35중량%의 비율로 혼합된다. 기화기(2)에서 기화된 순수산소와 LPG 가스는 혼합가스 레귤레이터(6)에서 혼합 조정된 후 역화를 방지하기 위하여 역화방지기(7)를 거쳐 보일러 버너부(8)에 분사되어 순수산소 연료혼합가스가 고온으로 연소된다. 균일한 순수산소 연료혼합가스를 얻기 위해서는 액화산소용기(1)의 순수산소가 기화기(2)로 유입되어 기화된 다음 산소 레귤레이터(5)에서 균일하게 유량이 조절되어 LPG와 혼합될 수 있는 상태가 된다. 이와 동시에 연료용기(3)의 LPG는 연료 레귤레이터(4)에서 유량이 조절되고 상기 기화기(2)에서 기화된 순수산소와 균일하게 혼합되어 보일러의 버너부(8)에 분사된다. 이때 보일러 버너부(8)에 분사된 순수산소 연료혼합가스는 적은 연료량에도 불구하고 순수산소를 열원으로 하고 있기 때문에 고온의 화염을 내며 연소되는데 순수산소 비율을 증대시킬수록 화염의 온도가 높아져 열효율이 향상된다. 즉 통상의 보일러의 불꽃 온도는 700~1000℃ 정도이나, 본원 발명의 순수산소를 이용한 순수산소 혼합가스 연소방식 보일러의 버너부(8) 불꽃 온도는 3000~3500℃까지 크게 상승시킬 수 있게 된다. 이 때 발생된 열은 보일러의 열효율을 획기적으로 증대시키게 된다.

본 발명의 순수 액화산소를 이용한 순수산소 연료 혼합가스 연소방식은 이와 같이 열효율을 크게 높일 수 있을 뿐만 아니라 순수산소를 이용하여 연료를 완전연소시킴으로써 질소산화물(NOx)이나 탄화수소(HC) 등 대기오염물질의 발생을 근원적으로 차단할 수 있다. 또한 보일러의 열효율이 높기 때문에 보일러 연료 소비량을 20% 정도 절감할 수 있으며, 보일러의 연소장치를 비교적 복잡하지 않게 설비할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 본 발명의 전체적인 구성을 나타낼 수 있는 구성도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 순수 액화산소용기

2: 기화기

3: 연료용기

4: 연료 레귤레이터

5: 산소 레귤레이터

6: 혼합가스 레귤레이터

7: 역화방지기

8: 보일러 버너부

9: 보일러

10: 점화연료관

11: 혼합가스연료관

12: 매니폴드

13: 노즐

Claims (2)

1. 액화산소용기(1)의 순수산소를 기화기(2)에서 기화시킨 다음 산소레귤레이터(5)에 의해 균일하게 순수산소량을 조절하는 단계; 및

   연료용기(3)의 연료를 연료레귤레이터(4)를 통하여 균일하게 연료량을 조절하는 단계; 및

   상기 기화된 순수산소와 연료가 혼합된 순수산소 연료 혼합가스가 혼합가스레귤레이터(6)에서 균일하게 혼합 조정되는 단계; 및

   연료레귤레이터(4)에서 조정된 연료가 점화연료관(10)을 통하여 보일러 버너부(8)에 연료를 분사하여 불꽃을 점화하는 단계; 및

   상기 혼합가스레귤레이터(6)에서 균일하게 혼합 조정된 순수산소 연료 혼합가스가 혼합가스연료관(11)을 통하여 보일러 버너부에 공급될 때 역화를 방지하기 위하여 역화방지기(7)를 거쳐 보일러 버너부에 분사되어 상기 점화연료관(10)으로 점화된 불꽃이 연속으로 연소되도록 구성된 순수산소 연료 혼합가스 연소방식에 있어서,

   기화된 순수산소 65~85중량%와 연료 15~35중량%가 혼합된 순수산소 연료 혼합가스를 보일러 버너부에 분사시켜 연소시키고, 순수산소량의 연료 혼합비율을 높여 보일러 버너부의 연소온도를 3000℃에서 3500℃까지 조절시키는 것을 특징으로 하는 보일러의 순수산소 연료 혼합가스 연소방법
2. 제1항에 있어서,

   순수산소와 혼합되는 연료는 LNG, LPG, 경유 또는 등유인 것을 특징으로 하는 보일러의 순수산소 연료 혼합가스 연소방법

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