KR20120092999A - 효율성이 향상된 연소 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주 연료(main fuel)인 가스 연료와 입자를 유발할 수 있는 고체 연료인 미분탄 또는 미분된 고체 연료(이하, '미분 연료'로 지칭함)를 일정량 함께 공급함으로써, 연소 시스템에서 사용되는 버너의 열전달 효율을 향상시키고 그로 인해 연료 절감, 효율성 향상 및 온실 가스 배출 감소의 효과를 달성할 수 있는 효율성이 향상된 연소 시스템에 관한 것이다.

Description

효율성이 향상된 연소 시스템{Burning system of improved efficiency}
본 발명은 효율성이 향상된 연소 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 주 연료(main fuel)인 가스 연료와 입자를 유발할 수 있는 고체 연료인 미분탄 또는 미분된 고체 연료(이하, '미분 연료'로 지칭함)를 일정량 함께 공급함으로써, 연소 시스템에서 사용되는 버너의 열전달 효율을 향상시키고 그로 인해 연료 절감, 효율성 향상 및 온실 가스 배출 감소의 효과를 달성할 수 있는 효율성이 향상된 연소 시스템에 관한 것이다.
연소로(Furnace)는 기본적으로 보일러(발전용, 산업용 보일러 포함), 폐기물 소각로, 유리 용해로, 시멘트 킬른, 알루미늄 제조 공정, 제철소 공정(Iron & Steelmaking Process), 용융로 등의 다양한 산업 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 설비이다.
이러한 다양한 연소로 중에서 본 발명을 적용하려는 연소로는, 연료의 연소열을 통해 피가열물을 가열하거나 또는 가열하여 용융하는 유리 용해로, 시멘트 킬른, 금속 용융로와 같이 연소열의 피가열물로의 열전달이 극대화되어야 하는 장치이다.
여기에서는, 연소열의 열전달이 극대화되지 않으면 결국 출구 배가스의 엔탈피(또는 현열)가 높아져 연소 공정의 효율 감소가 나타나는 등의 문제점이 발생한다. 현재, 최대 약 60%의 천연가스(또는 다른 주 연료) 열량이 이러한 식으로 배가스 내에 포함되어 방출됨으로서 연소 공정의 효율을 낮추고 있는 것이 현실이다.
따라서, 화석 연료를 사용하는 이들 설비에서 해결해야 할 가장 중요한 이슈 중 하나는, 연소 효율 향상 및 생산성 향상을 통해 연료비를 절감하는 것으로서, 이러한 이슈는 이산화탄소 배출 문제와도 연관되어 있어 매우 중요하다고 할 수 있다.
한편, 상술된 연소로에서 사용하는 버너는 대부분 가스 연료를 주 연료로 사용하고 있다. 이러한 이유는 가스 연료는 액체 또는 고체 연료에 비해 안정된 화염을 유지하기 용이할 뿐만 아니라 중유와 같은 액체 연료를 사용하는 것보다 NOx 발생량이 훨씬 적기 때문이다. 그러나, 가스 연료를 주 연료로 사용하는 버너의 경우에는 가스 내 연료 성분 중 탄소가 적고 수소가 많다는 특성이 있어, 화염이 적염(赤炎)이 아닌 청염(靑炎) 형태를 가지게 되어 복사 열전달량이 줄어들게 되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 주 연료인 가스 연료와 입자를 유발할 수 있는 고체 연료인 미분 연료를 함께 공급함으로써, 연소 시스템에서 사용되는 버너의 열전달 효율을 향상시키고 화염으로부터 전달되는 복사 열전달량을 향상시키고 그로 인해 피가열물에 전달되는 열량을 보다 증가시켜 연료 절감, 에너지 효율성 향상 및 온실 가스 배출 감소의 효과를 달성할 수 있는 효율성이 향상된 연소 시스템을 제공하는 것이다.
즉 본 발명의 목적은, 기존의 연소 시스템에서 사용되는 버너의 화염에 미분 연료를 일부 공급함으로써, 푸른 청염 형태로 나오는 화염을 적염으로 변환시키고 그로 인해 화염의 복사열전달량을 증가시켜 피가열물에 전달되는 열량을 높여 에너지 효율 및 생산성을 향상시키는 연소 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 효율성이 향상된 연소 시스템은, 연소로; 상기 연소로 내부로 가스 연료를 공급할 수 있는 가스 연료 공급부; 상기 연소로 내부로 미분 연료를 공급할 수 있는 미분 연료 공급부; 및 상기 연소로로부터 배출되는 배가스 및 산화제 공급 장치로부터의 산화제가 유입되어 혼합될 수 있는 혼합부;를 포함하고, 상기 혼합부에서 혼합된 혼합 가스는 산화제 공급 노즐을 통하여 상기 연소로 내부로 분사되거나 또는 상기 미분 연료 공급부로 유입되어 상기 미분 연료를 이송하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 연료 공급부는, 가스 연료를 저장 및 공급할 수 있는 가스 연료 공급 장치; 상기 연소로 내부로 가스 연료를 분사하는 가스 연료 분사 노즐; 및 상기 가스 연료 공급 장치로부터 상기 가스 연료 분사 노즐로 공급되는 상기 가스 연료의 유량을 제어할 수 있는 가스 연료 유량 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는,상기 미분 연료 공급부는, 미분 연료를 저장할 수 있는 미분 연료 사일로(Silo); 상기 연료소 내부로 미분 연료를 분사하는 미분 연료 분사 노즐; 및 상기 미분 연료 사일로로부터 상기 미분 연료 분사 노즐로 공급되는 상기 미분 연료의 양을 기설정된 양으로 제어할 수 있는 미분 연료 정량 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 혼합부는, 상기 연소로에서 발생되는 배가스를 순환시킬 수 있는 배가스 순환 팬; 상기 배가스 및 상기 산화제를 혼합시키는 혼합기; 및 상기 연소로로부터 상기 혼합기로 유입되는 상기 배가스의 유량을 제어할 수 있는 배가스 유량 제어 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 산화제 공급 노즐는, 상기 연소로 내부로 상기 혼합 가스를 분사하는 제1 산화제 공급 노즐; 및 상기 제1 산화제 공급 노즐을 둘러싸도록 배치되며, 상기 연소로 내부로 상기 혼합 가스를 분사하는 제2 산화제 공급 노즐;을 포함하며, 상기 제1 산화제 공급 노즐의 단부에는 화염의 안정성을 확보하도록 선회기(swirl generator)가 제공되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 미분 연료 분사 노즐은 상기 가스 연료 분사 노즐 내에 삽입되어 일부가 상기 연소로 내에서 돌출되며, 그리고 상기 가스 연료 분사 노즐은 단부에 하나 이상의 홀이 형성되어 상기 하나 이상의 홀을 통하여 상기 가스 연료를 상기 연소로 내부로 고르게 분사하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스 연료 분사 노즐, 상기 미분 연료 분사 노즐 및 상기 산화제 공급 노즐은 동축의 파이프로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 연소 시스템은, 상기 가스 연료 유량 제어 장치, 상기 미분 연료 정량 공급기 및 상기 배가스 유량 제어 밸브를 총괄적으로 제어할 수 있는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 배가스 유량 제어 밸브의 개방 및 폐쇄 정도를 조절하고, 그로 인해 상기 혼합 가스 내의 산화제의 비율을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 청염 형태의 화염을 적염 형태의 화염으로 변환시켜 연소로 내부에서 화염의 복사 열전달량을 증대시킴으로써 피가열물로 전달되는 열량을 보다 증가시킬 수 있으며, 그로 인해 배가스로 나가는 열손실을 최소화하고 피가열물의 가열 시간을 더 빠르게 하여 연료 절감 및 효율성이 향상되는 효과를 도모할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 연소 시스템에서 사용되는 버너의 최적 설계를 통하여 NOx 배출량을 최소화하고 미연분의 생성도 최소화할 수 있으며, 특히 배가스 재순환 공정을 함께 적용함으로서 추가적인 에너지 효율 향상 및 온실가스 저감도 도모할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 가스 연료와 미분 연료의 혼합비를 적절하게 설정함으로써 가스 연료비의 추가적인 저감을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 미분 연료를 폐기물이나 바이오매스 등으로 사용하는 경우에는 온실가스의 추가적인 저감도 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 연소 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 효율성이 향상된 연소 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
<실시예>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연소 시스템은 연소로, 가스 연료 공급부, 미분 연료 공급부, 혼합부 및 제어부를 포함한다.
연소로(110)는 연료를 연소시키는 데 사용되는 일반적인 중공 형상의 노(furnace)이다. 한편, 연소로(110)는 연소가 이루어질 수 있는 모든 형태의 시스템을 포함하는 개념으로서, 반드시 그 명칭에 한정되는 것이 아니며 가열로, 보일러 등의 모든 연소 장치 및 가스화기를 포함하는 포괄적인 의미임을 유의한다.
가스 연료 공급부는 연소로(110) 내부로 가스 연료를 공급하는 역할을 수행하며, 가스 연료 공급 장치(121), 가스 연료 유량 제어 장치(122) 및 가스 연료 분사 노즐(123)로 구성될 수 있다.
가스 연료 공급 장치(121)는 주 연료인 가스 연료(예를 들면, LNG 등)를 저장 및 공급할 수 있는 장치이며, 가스 연료 공급 장치(121)에서 공급되는 가스 연료는 그 종류에 제한이 없음을 유의한다.
가스 연료 분사 노즐(123)은 원형의 노즐로 구성될 수 있으며 연소로(110) 내부로 가스 연료를 분사하는 역할을 수행한다. 다만, 그 구성은 특별히 제한되지 않는다. 한편, 가스 연료 분사 노즐(123)의 단부에는 하나 이상의 홀(124)가 형성되어 하나 이상의 홀(124)을 통하여 가스 연료가 연소로(110) 내부로 고르게 분사될 수 있다.
가스 연료 유량 제어 장치(122)는 가스 연료 공급 장치(121)로부터 가스 연료 분사 노즐(123)로 공급되는 가스 연료의 유량을 제어하는 역할을 수행하며, 밸브나 공지된 유량 제어 장치가 사용될 수 있다. 한편, 이러한 가스 연료 유량 제어 장치(122)는 후술되는 제어부(160)로부터 제어 지시를 받아 작동되거나 단독으로 작동될 수 있도록 구성될 수 있다.
미분 연료 공급부는 연소로(110) 내부로 미분 연료를 공급하는 역할을 수행하며, 미분 연료 사일로(Silo)(131), 미분 연료 정량 공급기(132) 및 미분 연료 분사 노즐(133)로 구성될 수 있다.
미분 연료 사일로(131)는 연소로(110)의 화염 내 입자 생성을 위해 보조 연료로 사용되는 미분 연료를 저장 및 공급할 수 있는 장치이며, 공지된 구성을 이용한다. 미분 연료로서는 미분탄 또는 미분된 고체 연료, 바이오 메스 연료 등의 다양한 고체 연료가 사용될 수 있음을 유의한다. 특히, 미분 연료로서 바이오 메스 연료가 사용되는 경우에는 온실 가스의 추가적인 저감도 가능하게 된다.
미분 연료 분사 노즐(133)은 원형의 노즐로 구성될 수 있으며 연소로(110) 내부의 화염에 미분 연료를 분사하는 역할을 수행한다. 다만, 그 구성은 특별히 제한되지 않는다. 한편, 미분 연료 분사 노즐(133)은 가스 연료 분사 노즐(123) 내에 삽입되어 그 일부가 연소로(110) 내부로 돌출되도록 위치할 수 있다.
미분 연료 정량 공급기(132)는 미분 연료 사일로(131)로부터 미분 연료 분사 노즐(133)로 공급되는 미분 연료의 양을 기설정된 양으로 제어하는 역할을 수행하며, 밸브나 공지된 연료 정량 공급 장치가 사용될 수 있다. 한편, 이러한 미분 연료 정량 공급기(132)는 후술되는 제어부(160)로부터 제어 지시를 받아 작동되거나 단독으로 작동될 수 있도록 구성될 수 있다.
혼합부는 연소로(110)로부터 배출되는 배가스 및 산화제 공급 장치(150)로부터의 산화제가 유입 및 혼합되어, 연소로(110) 및/또는 미분 연료 정량 공급기(132)로 공급되도록 구성된다.
구체적으로, 이러한 혼합부는 연소로(110)의 배가스 출구(111)로부터 배출되는 배가스(연료를 연소시키면서 발생되는 고온의 연소 가스)를 순환시킬 수 있는 배가스 순환 팬(141), 산화제(예를 들면, 공기 또는 산호)가 저장되어 있는 산화제 공급 장치(150), 상기 배가스 및 산화제 공급 장치(150)로부터의 산화제를 직접적으로 혼합시키는 혼합기(140) 및 배가스 출구(111)로부터 배출되어 상기 혼합기(140)로 유입되는 배가스의 유량을 제어할 수 있는 배가스 유량 제어 밸브(142)를 포함할 수 있다.
여기서, 배가스 순환 팬(141), 산화제 공급 장치(150), 혼합기(140) 및 배가스 유량 제어 밸브(142)는 공지된 기술을 사용하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 한편, 배가스 유량 제어 밸브(142)는 후술되는 제어부(160)로부터 제어 지시를 받아 작동되거나 단독으로 작동될 수 있도록 구성될 수 있다.
한편, 가스 연료 분사 노즐(123), 미분 연료 분사 노즐(133) 및 산화제 공급 노즐(143, 144)은 동축의 파이프로 구성되는 것을 특징으로 한다.
혼합기(140)에서 혼합된 혼합 가스는 2가지 경로를 통하여 다시 연소로(110)로 유입되어 순환하게 된다.
그 중 하나의 경로는, 산화제 공급 노즐(143, 144)을 통하여 연소로(110) 내부로 분사되는 것이다. 즉, 혼합 가스는 제1 산화제 공급 노즐(143) 및 제2 산화제 공급 노즐(144)를 통하여 연소로(110) 내부로 분사될 수 있다. 한편, 제2 산화제 공급 노즐(144)은 제1 산화제 공급 노즐(143)을 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 제1 산화제 공급 노즐(143)의 단부에는 화염의 안정성을 확보하도록 선회기(swirl generator)가 제공될 수 있다.
다른 하나의 경로는, 미분 연료 정량 공급기(132)로 공급되어 미분 연료를 이송하는 역할을 수행하면서 연소로(110)로 유입되는 것이다. 즉, 혼합 가스는 미분 연료 정량 공급기(132)와 미분 연료 분사 노즐(133) 사이에 공급됨으로써 미분 연료를 이송하는 미분 연료 이송 매체로서 활용될 수 있다.
한편, 미분 연료가 들어가는 부분에서의 폭발 등의 문제점을 방지하기 위해 산소 또는 공기 등의 산화제와 혼합되지 않은 배가스가 미분 연료 이송에 사용될 수도 있는데 이에 대해서는 후술하기로 한다. 또한 배가스를 산화제로 사용하는 경우 발생할 수 있는 산소 부족 현상이 문제가 된다면 바로 공기를 사용하여 미분 연료를 이송하는 것도 가능하다.
제어부(160)는 본 발명에 따른 연소 시스템에 선택적으로 추가될 수 있는 구성 요소로서, 가스 연료 유량 제어 장치(122), 미분 연료 정량 공급기(132) 및 배가스 유량 제어 밸브(142)를 총괄적으로 제어하는 역할을 수행한다.
구체적으로, 가스 연료 유량 제어 장치(122)를 제어함으로써 연소로(110) 내부로 분사되는 주 원료인 가스 연료의 유동량을 제어할 수 있으며, 미분 연료 정량 공급기(132)를 제어함으로써 연소로(110) 내부로 분사되는 보조 원료인 미분 연료의 유동량을 제어할 수 있으며, 그리고 배가스 유량 제어 밸브(142)의 개방 및 폐쇄 정도를 조절함으로써 혼합기(140)로 유입되는 배가스의 양을 제어할 수 있게 된다.
그로 인해, 연소로로 유입되는 주 원료와 보조 원료의 비율, 혼합기에서의 배가스와 산화제의 비율, 연소로로 유입되는 산화제에서의 배가스의 비율, 미분 연료를 이송하는데 사용되는 혼합 가스에서의 배가스의 비율 등을 적절하게 설정 및 조정할 수 있게 된다.
이러한 본 발명에 따르면, (1) 미분 연료를 화염에 일정량 공급함으로써 미분 연료의 연소시 미분 연료 입자의 산란으로 인해 화염이 기존의 청색 화염에서 휘도가 강한 적색 화염을 띠게 된다. 입자에 의하여 복사열전달량이 향상되면 피가열물의 가열 시간이 빨라지고 온도가 높아지며, 그만큼 연소로 출구에서의 배가스의 온도는 떨어지면서 열효율이 상승하게 된다. 더욱이 (2) 연소시 발생되는 배가스를 재순환시켜 낮은 산소 농도를 가지는 배가스를 이용하여 미분 연료를 이송하게 되면 미분 연료 덕트 내 폭발 등의 문제점도 해결할 수 있으며, 기존 가스 버너의 2차 공기 레지스터 등으로 공기 주입량을 더 늘리게 되면 완전 연소를 함께 도모할 수 있게 된다.
이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
110 : 연소로
111 : 배가스 출구
121 : 가스 연료공급 장치
122 : 가스 연료 유량 제어 장치
123 : 가스 연료 분사 노즐
124 : 하나 이상의 홀
131 : 미분 연료 사일로
132 : 미분 연료 정량 공급기
133 : 미분 연료 분사 노즐
140 : 혼합기
141 : 배가스 순환 팬
142 : 배가스 유량 제어 밸브
143 : 제1 산화제 공급 노즐
144 : 제2 산화제 공급 노즐
150 : 산화제 공급 장치
160 : 제어부

Claims (9)

  1. 연소로;
    상기 연소로 내부로 가스 연료를 공급할 수 있는 가스 연료 공급부;
    상기 연소로 내부로 미분 연료를 공급할 수 있는 미분 연료 공급부; 및
    상기 연소로로부터 배출되는 배가스 및 산화제 공급 장치로부터의 산화제가 유입되어 혼합될 수 있는 혼합부;를 포함하고,
    상기 혼합부에서 혼합된 혼합 가스는 산화제 공급 노즐을 통하여 상기 연소로 내부로 분사되거나 또는 상기 미분 연료 공급부로 유입되어 상기 미분 연료를 이송하는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 연료 공급부는,
    가스 연료를 저장 및 공급할 수 있는 가스 연료 공급 장치;
    상기 연소로 내부로 가스 연료를 분사하는 가스 연료 분사 노즐; 및
    상기 가스 연료 공급 장치로부터 상기 가스 연료 분사 노즐로 공급되는 상기 가스 연료의 유량을 제어할 수 있는 가스 연료 유량 제어 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미분 연료 공급부는,
    미분 연료를 저장할 수 있는 미분 연료 사일로(Silo);
    상기 연료소 내부로 미분 연료를 분사하는 미분 연료 분사 노즐; 및
    상기 미분 연료 사일로로부터 상기 미분 연료 분사 노즐로 공급되는 상기 미분 연료의 양을 기설정된 양으로 제어할 수 있는 미분 연료 정량 공급기;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혼합부는,
    상기 연소로에서 발생되는 배가스를 순환시킬 수 있는 배가스 순환 팬;
    상기 배가스 및 상기 산화제를 혼합시키는 혼합기; 및
    상기 연소로로부터 상기 혼합기로 유입되는 상기 배가스의 유량을 제어할 수 있는 배가스 유량 제어 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 산화제 공급 노즐는,
    상기 연소로 내부로 상기 혼합 가스를 분사하는 제1 산화제 공급 노즐; 및
    상기 제1 산화제 공급 노즐을 둘러싸도록 배치되며, 상기 연소로 내부로 상기 혼합 가스를 분사하는 제2 산화제 공급 노즐;을 포함하며,
    상기 제1 산화제 공급 노즐의 단부에는 화염의 안정성을 확보하도록 선회기(swirl generator)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미분 연료 분사 노즐은 상기 가스 연료 분사 노즐 내에 삽입되어 일부가 상기 연소로 내에서 돌출되며, 그리고
    상기 가스 연료 분사 노즐은 단부에 하나 이상의 홀이 형성되어 상기 하나 이상의 홀을 통하여 상기 가스 연료를 상기 연소로 내부로 고르게 분사하는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가스 연료 분사 노즐, 상기 미분 연료 분사 노즐 및 상기 산화제 공급 노즐은 동축의 파이프로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 연소 시스템은,
    상기 가스 연료 유량 제어 장치, 상기 미분 연료 정량 공급기 및 상기 배가스 유량 제어 밸브를 총괄적으로 제어할 수 있는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 배가스 유량 제어 밸브의 개방 및 폐쇄 정도를 조절하고, 그로 인해 상기 혼합 가스 내의 산화제의 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는,
    연소 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190022152A (ko) * 2017-08-25 2019-03-06 한국에너지기술연구원 순산소 순환유동층 연소장치 및 이를 이용한 배가스 재순환 방법
KR20210115918A (ko) * 2020-03-17 2021-09-27 임철기 배가스가 화염제어유체로 적용된 연소시스템

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