KR20110083012A - 유기성 폐기물 탄화처리장치 - Google Patents

유기성 폐기물 탄화처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음식물 쓰레기를 포함한 유기성 폐기물의 탄화처리장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 유기성 폐기물을 숯으로 탄화하여 연료 등으로 재활용할 수 있게 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 유기성 폐기물 탄화장치는 탄화처리과정에서 발생하는 악취유발물질인 가연성 기체성분을 회수하여 이를 연료의 일부로 사용하여 소각시킴으로써 악취 제거와 연료절감을 동시에 달성하였다. 그리고 탄화반응기의 반응챔버는 열효율이 좋고 또한 탄화반응기 내부의 온도를 균일하게 안정적으로 유지할 수 있도록 특수한 이중판 구조로 하였다.
본 발명의 유기성 폐기물 탄화장치는 폐기물의 처리과정에서 다량으로 발생하는 휘발성 유기물질을 회수하여 직접 연료로 사용함으로써, 폐기물 처리과정에서 악취나 공해물질의 발생이 없고 또한 연료를 절감할 수 있다. 그리고 본 발명의 탄화반응기는 제작비용이 저렴하고 취급이 용이하며, 또한 열효율이 좋고 탄화반응기 내부의 온도를 균일하게 안정적으로 유지할 수 있어 수명이 길고 대표적인 공해물질인 다이옥신이 발생하지 않는다.

Description

유기성 폐기물 탄화처리장치{Catbonization Equipment of Organic Waste}
본 발명은 음식물 쓰레기를 포함한 유기성 폐기물의 탄화처리장치에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 유기성 폐기물을 숯으로 탄화하여 연료 등으로 재활용할 수 있게 하는 기술에 관한 것이다.
최근 산업의 발전과 인구의 증가에 의하여 다량으로 발생하는 음식물 쓰레기, 축산분뇨, 폐수처리 후 잔여 슬러지 등의 유기성 폐기물은 다량의 수분과 함께 악취를 발생하여 처리에 어려움이 있다. 이러한 유기성 폐기물의 처리에는 소각, 매립, 해양투기 등의 방법으로 처리하고 있는데, 대기오염, 수질오염 토양오염을 유발하여 환경에 큰 부담을 주고 있다.
최근 수도권 매립지의 경우 침출수와 악취 문제로 인해 음식물 쓰레기의 매립금지조치가 취해졌으며, 음식물 쓰레기의 퇴비화 또는 사료화 처리를 통한 재활용은 처리기간이 길고, 부지를 많이 소요하고, 처리과정에서 악취가 발생하는 등의 문제점으로 인하여 널리 보급되지 못하고 있는 실정이다.
음식물 쓰레기와 같이 함수율이 높고 자체 유기물 함량이 높은 폐기물은 생물학적 처리방법으로 가연성 연료인 메탄을 발생시키는 방안이 있으나, 이 또한 처리 후 슬러지가 남고, 처리효율이 낮고, 장기간의 처리시간이 소요되어 활성화되지 못하고 있다.
음식물 쓰레기를 포함한 유기성 폐기물은 에너지원으로 사용될 수 있는 휘발 성분 및 고정탄소 함량이 상당히 높아 연료화 가능성이 상당히 높다. 이러한 점에 착안하여 하수 슬러지, 음식물 쓰레기, 축산 분뇨 등의 유기성 폐기물을 연료화하기 위한 처리기술이 다양하게 개발되어 왔다. 그 중 대표적인 처리방법이 열분해에 의한 탄화처리 방법인데, 처리과정에서 심한 악취와 대기오염을 수반하는 기체성분이 다량으로 발생하고, 처리에 에너지의 소비가 많은 문제점이 있다.
그리고 음식물 쓰레기에는 염분(NaCl)이 다량 함유되어 있어서, 탄화처리 과정에서 맹독성 공해물질인 다이옥신인 발생될 수 있다. 특히 유기물질의 탄화는 350℃ 부근의 온도에서 가장 잘 진행되는데, 다이옥신은 300℃ 내지 699℃ 사이에서 생성되고, 300℃ 내지 500℃ 사이의 온도에서 가장 활발하게 일어난다. 따라서 음식물 쓰레기를 탄화처리하는 데는 필연적으로 다량의 다이옥신이 발생하는 문제점이 있다.
상기와 같이, 음식물 쓰레기를 포함한 유기성 폐기물의 처리에는 많은 문제점이 있는데, 그중 탄화처리 방법도 악취와 대기오염을 유발하고 에너지의 소비가 많은 문제점이 있다.
따라서 에너지의 소비가 적고 악취와 대기오염을 유발하지 않는 새로운 유기성 폐기물의 탄화처리장치가 요구된다.
본 발명의 유기성 폐기물 탄화장치는 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 탄화처리과정에서 발생하는 악취유발물질인 가연성 기체성분을 회수하여 이를 연료의 일부로 사용하여 소각시킴으로써 악취 제거와 연료절감을 동시에 달성하였다.
그리고 탄화반응기의 반응챔버는 열효율이 좋고 또한 탄화반응기 내부의 온도를 균일하게 안정적으로 유지할 수 있도록 특수한 이중판 구조로 하였다.
본 발명의 유기성 폐기물 탄화장치는 폐기물의 처리과정에서 다량으로 발생하는 휘발성 유기물질을 회수하여 직접 연료로 사용함으로써, 폐기물 처리과정에서 악취나 공해물질의 발생이 없고 또한 연료를 절감할 수 있다.
그리고 본 발명의 탄화반응기는 제작비용이 저렴하고 취급이 용이하며, 또한 열효율이 좋고 탄화반응기 내부의 온도를 균일하게 안정적으로 유지할 수 있어 수명이 길고 대표적인 공해물질인 다이옥신이 발생하지 않는다.
도 1은 본 발명인 유기성 폐기물 탄화장치의 전체구성도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 탄화반응조 반응챔버의 벽체 구성도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 응축기의 구성도이다.
본 발명의 유기성 폐기물 탄화장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 연소실(1), 탄화반응조(2), 버너(3), 교반기(4), 가스회수장치(5), 그리고 배기장치(6)로 구성된다.
연소실(1)은 연료와 폐기물의 탄화처리과정에서 발생하는 휘발성 유기물질을 연소시켜 탄화반응에 필요한 열을 발생시키는 곳으로서, 강판 등의 금속판으로 제작한 외벽(11)의 내부에 바닥과 측면에 내화벽돌을 쌓아 형성한 내화벽(12)으로 구성되고, 측벽에는 배기관, 버너가 연결된 연소관 그리고 가스회수관이 관통하는 구멍이 형성되어 있다.
연소실(1)의 상부는 일정 두께의 철판으로 제작한 덮개판(13)을 구비하여 개폐를 용이하게 하는데, 덮개판(13)의 중심부에는 교반기(4)의 축이 관통하는 구멍이 형성되고, 처리하고자 하는 폐기물을 투입하기 위한 투입구(14)가 구비된다. 이 투입구(14)는 공압액츄에이터, 유압액츄에이터 등을 이용하여 원격으로 개폐할 수 있게 하는 것이 좋다.
그리고 연소실(1) 내부에는 온도센서(15)를 구비하여, 연소실 내부의 온도를 모니터링하고 연소실 온도제어의 자료로 삼을 수 있다.
탄화반응조(2)는 처리하고자 하는 유기성 폐기물이 투입되어 탄화가 일어나는 곳으로서, 측벽과 바닥이 있는 원통형 용기 형태로 제작되고, 측벽 상단에는 가스배출구(23)가 형성되어 있는데, 상기 연소실(1)의 덮개판(13)의 하면에 부착되어 연소실(1)의 내부에 놓인다. 탄화반응조(2)는 연소실(1)의 열이 반응조 전체에 균일하게 전달되어야 하므로, 두께가 두꺼운 주철로 제작할 수 있다.
탄화반응조(2)를 회주철 등의 주물재료로 주조에 의하여 두껍게 제작할 경우 아주 무거워서 취급이 불편하고, 주철은 취성이 있어서 균열이 쉽게 생길 우려가 있으므로 도 2의 단면도에 도시한 바와 같이 특별한 구조의 이중벽 구조로 제작하는 것이 좋다. 이와 같은 이중벽 구조의 탄화반응조(2)는 인성이 높고 부식이 일어나지 않는 스테인레스스틸로 두께가 얇은 내벽(21)을 제작하고, 이 내벽(21)의 외부에 열전도계수가 크고 융점이 비교적 높은 재료로 제작된 외벽(22)을 접합하되, 외벽(22)에는 일정 크기의 구멍(221) 다수 개를 일정 간격으로 형성한다. 외벽(22)의 재료로는 녹는 점이 1085℃로 높고, 열전도계수가 큰 순동(Cu)이 적당하다.
이와 같은 이중벽 구조의 탄화반응조(2)는 외벽(22)의 구멍(221)을 통하여 연소실(1)의 열이 내벽(21)로 직접 전달되어 열손실이 적다. 그리고 외벽(22)은 열전도가 잘 일어나는 재료이므로 내벽(21)이 국부적으로 가열되는 경우가 없어 탄화반응조(2) 전체의 온도가 균일하게 된다. 그리고 외벽(22)의 구멍(221)은 탄화반응조(2)를 가열하거나 냉각할 때, 외벽(22)의 열팽창 또는 열수축을 흡수하여 내벽(21)과 외벽(22)이 서로 박리되어 분리되는 것을 방지한다.
폐기물이 탄화되는 데는 비교적 장시간이 소요되는데, 그동안 연소실(1)의 열이 탄화반응조(2)로 전달되어 탄화에 필요한 고온을 유지한다. 연소실(1)의 투입구(14)를 닫아 밀폐된 탄화반응조(2) 내부에서 음식물 쓰레기 등의 유기성 폐기물은 고온에서 수분이 증발하여 건조되고, 유기물 중의 탄소, 수소, 산소, 질소 등의 원소들은 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소, 암모니아성질소 등의 기체성분과 고분자 유기물질이 기화한 증기가 혼합된 반응가스로 변하여 가스배출구(23)로 배출된다. 그리고 여분의 탄소는 탄화반응조(2) 내부에 숯으로 남게 되어 유기성 폐기물이 탄화된다.
유지물질의 탄화는 350℃ 부근의 온도에서 가장 탄화가 잘 일어난다. 따라서 탄화반응조(2) 내부의 온도를 400℃로 유지하면 처리대상인 폐기물의 온도가 350℃ 가량이 되어 폐기물의 탄화가 효과적으로 일어난다. 이와 같은 탄화반응조(2) 내부의 온도 제어를 위하여 탄화반응조(2)의 내부에도 온도센서(24)를 구비할 수 있다. 그리고 탄화반응조(2)의 내부온도가 급격히 상승하는 것이 감지되면, 이는 폐기물의 탄화가 종료된 것으로서, 버너(3)의 작동을 멈추고, 탄화반응조(2) 내의 숯을 제거하고, 처리할 폐기물을 다시 탄화반응조(2)에 투입하여 다음 처리작업을 진행한다.
버너(3)는 토출구(31)로 연료가 혼합된 공기를 연소실(1)의 내부로 분사하여 연료의 연소가 일어나게 하는 것으로서, 통상의 버너를 사용한다. 버너(3)는 기체연료를 사용하는 버너, 액체연료를 사용하는 버너 등 모든 종류의 버너가 사용될 수 있다. 버너(3)의 토출구(31)에는 가스회수장치(5)의 가스회수관이 결합되는 가스구멍(32)이 형성되어 있어, 탄화반응조(2)에서 폐기물이 탄화하는 과정에서 생성된 가연성 반응가스가 이곳으로 유입되어 연료와 함께 연소한다.
교반기(4)는 상기 연소실(1)의 덮개판(13)에 설치되어, 상기 탄화반응조(2) 내부의 폐기물을 교반하는 역할을 한다. 교반기는 모터(41), 상기 모터(41)의 축과 연결되어 덮개판(13)의 중심부에 형성된 구멍을 통과하여 탄화반응조(2)의 내부로 연장되는 교반축(42), 그리고 상기 교반축(42)에 부착된 교반날개(43)로 구성된다.
모터(41)는 덮개판(13)의 열이 전도에 의하여 모터로 직접전달되는 것을 방지하기 위하여, 단열블록(44)를 사용하여 덮개판(13)에 고정하는 것이 좋다. 그리고 교반축(42)과 교반날개(43)는 부식에 강한 스테인레스스틸로 제작하는 것이 좋다. 교반날개(43)는 일정 굵기의 봉을 구부려 삼각형 또는 사각형으로 제작하고, 크기가 서로 다른 다수 개의 교반날개(43)를 교반축(42)에 부착하는 방법으로 구성할 수 있다.
가스회수장치(5)는 가스배출구(23)에 연결되고 연소실(1)의 벽을 관통하여 연소실(1)의 외부로 연장되어 버너(3)의 토출구(31)에 형성된 가스구멍(32)에 결합되는 가스회수관(51), 상기 가스회수관(51)에 설치되는 응축기(52)와 송풍팬(53)으로 구성된다.
가스회수관(51)은 고온에 견딜 수 있도록 금속관을 사용하는 것이 좋고, 일부 구간은 구부리기 용이한 주름관을 사용할 수 있다.
응축기(52)는 폐기물에 다량 함유되어 있는 수분이 탄화반응조(2)에서 수증기로 증발해 나오는 것을 물로 응축하여 제거하는 기능을 한다. 응축기(52)는 다양한 형상으로 제작할 수 있으나, 도 3에 도시한 바와 같이, 외통(521), 외통(521)의 외부 양단에 구비되어 상기 가스회수관(51)과 연결되는 연결관(522), 외통(521)의 내부 양단에 벽과 일정한 간격을 두고 부착되는 것으로서 다수 개의 구멍이 형성된 막음판(523), 상기 양측 막음판(523)의 구멍에 용접 등 기밀이 되는 방법으로 다수 개가 결합되는 냉각관(524), 상기 냉각관(524)이 있는 외통(521)의 벽에 각각 구비되는 냉각수 유입관(525)과 유출관(526), 그리고 출구측 막음판(523)과 벽 사이의 외통의 벽에 구비되는 취출구(527)로 구성된다.
상기 응축기(52)의 입구측 연결관(522)으로 수증기가 함유된 반응가스가 유입되어 냉각관(524)을 지나면, 유입관(525)으로 유입되어 유출관(526)으로 유출되는 냉각수에 의하여 냉각관(524)이 냉각되고, 반응가스 중의 수증기는 물로 응결되어 출구측 막음판(523)과 벽 사이의 공간에 모여 취출구(527)로 유출된다.
송풍팬(53)은 가스회수관(51)에 설치되어, 탄화반응조(2)에서 생성된 수증기와 반응가스를 신속하게 뽑아내어 탄화반응을 촉진하는 역할을 한다.
탄화반응조(2)에서 탄화반응이 진행되어 다량의 수증기와 반응가스가 발생되면, 그 압력에 의하여 수증기와 반응가스가 스스로 가스회수관(51)을 통하여 유출되므로 가스회수장치(5)에 송풍팬(53)을 사용하지 않을 수도 있다.
그리고 수증기가 공기와 연료의 혼합물에 유입되더라도 연료의 연소를 크게 방해하지 않고, 특히 액체연료의 연소에는 수증기가 촉매착용을 하여 연소를 촉진하는 기능을 하므로, 반응가스 중에서 수증기를 반드시 제거해야 할 필요는 없고, 이와 같은 경우 가스회수장치(5)에 응축기(52)를 사용하지 않을 수도 있다. 그러나 수분이 다량 함유된 폐기물의 탄화에는 초기에 과도한 량의 수증기가 배출되므로 응축기(52)를 사용하는 것이 좋다.
배기장치(6)는 연소실(1)에서 연료와 반응가스가 연소하여 발생되는 연소가스를 배출하는 장치로서, 연소실(1)의 벽을 관통하는 배기관(61)과, 상기 배기관(61)에 구비된 폐열회수기(62)로 구성된다. 폐열회수기(62)는 배기관의 주변에 물을 흐르게 하여, 배기관(61)으로 유출되는 열을 회수하여 온수를 얻는 장치이다. 폐열회수기(62)는 여러 가지 형태로 구성할 수 있으나, 상기 응축기(52)에서 응축수 취출구(527)가 없는 형태로 제작할 수 있다. 폐열회수기(62)는 사용하지 않을 수도 있다.
본 발명의 유기성 폐기물 탄화장치는 연소실(1)의 온도에 따라 버너(3)에 공급되는 연료의 량을 조절함으로써 연소실(1)의 내부온도를 제어하는데, 상기와 같이 가스회수장치(5)는 탄화반응조(2)에서 발생한 반응가스를 회수하여 이를 버너(3)의 토출구(31)에 주입하여 연료와 함께 연소시키므로, 반응가스가 가지는 열량만큼 연료의 공급을 줄일 수 있어서 연료가 적게 소비된다.
다이옥신은 300℃ 내지 699℃ 사이에서 생성되고, 300℃ 내지 500℃ 사이의 온도에서 가장 많이 생성된다. 그리고 다이옥신은 750℃ 이상의 온도에서 분해된다. 유기성 폐기물의 탄화반응에 적당한 온도가 350℃ 부근이므로, 염분을 다량 함유하는 음식물 쓰레기를 탄화처리 할 동안에 탄화반응조(2)에서 발생한 반응가스 중에는 다이옥신이 함유되어 있을 수 있다.
본 발명의 경우, 반응가스는 직접 외부로 방출되지 않고 전부 회수되어 연료와 함께 연소되므로, 생성된 다이옥신이 모두 연소실(1)에서 분해된다. 연소실(1)의 내부 온도는 탄화반응조(2) 내부 온도를 400℃ 정도를 유지하기 위하여 800℃ 정도로 유지하여야 하고, 버너(3) 출구의 화염온도는 1000℃를 상회하므로, 반응가스 중의 다이옥신이 분해되기에 충분하다.
또한 유기성 폐기물의 탄화처리과정에서 발생하는 악취의 원인은 주로 반응가스 중의 메탄과 암모니아성 질소가스에 기인하는데, 이러한 악취의 원인이 되는 반응가스는 모두 회수되어 연소실(1)에서 소각되어 분해되므로, 연소실(1)에서 배기장치(6)를 통하여 외부로 유출되는 연소가스에는 악취가 나지 않는다.
유기성 폐기물의 탄화가 완료되어 탄화반응조(2) 내부에 잔류하는 탄소(C)를 주성분으로 하는 숯은 식물성 접착제를 첨가하여 일정한 형상으로 성형하여 연료 등으로 재활용할 수 있다. 그리고 무기물질이 다량 함유된 폐기물을 처리할 경우, 탄화반응조(2) 내부에 최종적으로 잔류하는 잔여물은 벽돌 등의 건축자재를 제조하는 원료로 재활용할 수 있다.
1 : 연소실, 2 : 탄화반응조, 3 : 버너, 4 : 교반기,
5 : 가스회수장치, 6 : 배기장치,
11 : 외벽, 12 : 내화벽, 13 : 덮개판, 14 : 투입구, 15 : 온도센서,
21 : 내벽, 22 : 외벽, 23 : 가스배출구, 24 : 온도센서,
31 : 토출구, 32 : 가스구멍,
41 : 모터, 42 : 교반축, 43 : 교반날개, 44 : 단열블록,
51 : 가스회수관, 52 : 응축기, 53 : 송풍팬,
61 : 배기관, 62 : 폐열회수기.

Claims (6)

  1. 연료와 폐기물의 탄화처리과정에서 발생하는 가연성 반응가스를 연소시켜 탄화반응에 필요한 열을 발생시키는 곳으로서, 금속판으로 제작한 외벽(11), 상기 외벽(11)의 내부 바닥과 측면에 내화벽돌을 쌓아 형성한 내화벽(12), 상기 내화벽(12)의 상단을 덮는 것으로서 일정 두께의 강판으로 제작한 덮개판(13), 그리고 상기 덮개판(13)에 구비되는 것으로서 처리하고자 하는 폐기물을 투입하기 위한 투입구(14)로 구성되는, 연소실(1):
    처리하고자 하는 유기성 폐기물이 투입되어 탄화가 일어나는 곳으로서, 상기 연소실(1)의 덮개판(13)의 하면에 부착되어 연소실(1)의 내부에 놓이고, 측벽과 바닥이 있는 원통형 금속제 용기 형상이고, 측벽 상단에는 가스배출구(23)가 형성되어 있는, 탄화반응조(2):
    상기 연소실(1)의 벽에 형성된 구멍에 결합되어 연소실(1)의 내부를 가열하는 것으로서, 가스회수관이 결합되는 가스구멍(32)이 형성되어 있는 토출구(31)를 구비한, 버너(3):
    상기 연소실(1)의 덮개판(13)에 설치되어 상기 탄화반응조(2) 내부의 폐기물을 교반하는 것으로서, 모터(41), 상기 모터(41)의 축과 연결되어 덮개판(13)의 중심부에 형성된 구멍을 통과하여 탄화반응조(2)의 내부로 연장되는 교반축(42), 그리고 상기 교반축(42)에 부착된 교반날개(43)로 구성되는, 교반기(4):
    상기 탄화반응조(2)의 가스배출구(23)에 연결되고, 연소실(1)의 벽을 관통하여 연소실(1)의 외부로 연장되어, 상기 버너(3)의 토출구(31)에 형성된 가스구멍(32)에 결합되는 가스회수관(51)으로 구성되는, 가스회수장치(5):
    그리고, 연소실(1)에서 연료와 반응가스가 연소하여 발생되는 연소가스를 배출하는 장치로서, 연소실(1)의 벽을 관통하는 배기관(61)으로 구성되는, 배기장치(6):
    를 포함하여 구성되는, 유기성 폐기물 탄화처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄화반응조(2)는,
    스테인레스스틸 판으로 제작되는 내벽(21)과, 상기 내벽(21)의 외부에 씌워져서 접합되는 것으로서 열전도계수가 큰 금속판에 일정 크기의 구멍(221) 다수 개를 일정 간격으로 형성한 외벽(22)으로 구성되는 이중판 구조인 것을 특징으로 하는, 유기성 폐기물 탄화처리장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스회수장치(5)는,
    상기 가스회수관(51)에 구비되어 탄화반응조(2)에서 증발해 나오는 수증기를 물로 응축시키는 것으로서, 원통형 용기 형상인 외통(521), 상기 외통(521)의 외부 양단에 구비되어 상기 가스회수관(51)과 연결되는 연결관(522), 상기 외통(521)의 내부 양단에 벽과 일정한 간격을 두고 부착되는 것으로서 다수 개의 구멍이 형성된 막음판(523), 상기 양측 막음판(523)의 구멍에 기밀이 되는 방법으로 다수 개가 결합되는 냉각관(524), 상기 냉각관(524)이 있는 외통(521)의 벽에 구비되어 냉각수가 유입되고 유출되는 유입관(525)과 유출관(526), 그리고 출구측 막음판(523)과 벽 사이의 외통(521)의 벽에 구비되는 응축수 취출구(527)를 포함하여 구성되는 응축기(52)를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 유기성 폐기물 탄화처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스회수장치(5)는,
    상기 가스회수관(51)에 구비되어 탄화반응조(2)에서 생성된 수증기와 반응가스를 흡입하는 송풍팬(53)을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 유기성 폐기물 탄화처리장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배기장치(6)는,
    상기 배기관(61)에 구비되는 것으로서, 냉수가 유입되어 상기 배기관으로 배출되는 배기가스의 열을 흡수하여 온수가 만들어지는 폐열회수기(62)를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는, 유기성 폐기물 탄화처리장치.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서, 상기 유기성 폐기물 탄화처리장치는,
    상기 연소실(1)의 내부 또는 탄화반응조(2)의 내부에 온도센서(15, 24)를 추가로 구비하여, 연소실(1)의 내부온도 또는 탄화반응조(2)의 내부온도를 측정하여, 상기 버너(3)에 공급되는 연료를 조절함으로써, 탄화반응조(2) 내부의 온도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는, 유기성 폐기물 탄화처리장치.
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