KR20170137331A - 온도분포 균일성이 향상된 scr 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기를 개시한다.
본 발명에 따른 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기는, 내부에 SCR 촉매가 구비되며 수평으로 설치되는 반응기 동체(110); 상기 반응기 동체(110)의 입구단부(112)에 형성되는 입구 패널(120); 상기 입구 패널(120)에 연결되는 입구 배기관(22); 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)에 형성되는 출구 패널(130); 상기 출구 패널(130)에 연결되는 출구 배기관(24); 을 포함하며, 상기 출구 배기관(24)의 중심축(X2)이 상기 반응기 동체(110)의 중심축(X1)보다 아래쪽으로 치우쳐 형성되어 반응기 동체(110)를 통과하는 배기가스의 흐름을 반응기 동체(110)의 아래쪽으로 유도하여 출구 배기관(24)으로 배출시키도록 이루어진다.

Description

온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기{SCR reactor improved uniformity of temperature distribution}
본 발명은 SCR 촉매가 내장된 SCR 반응기 내부의 배기가스 밀도 차이에 따른 영역별 온도 차이를 줄이고, 지나치게 낮은 온도 영역을 줄이며, 전체적으로 촉매 반응에 적합한 높은 온도를 유지함으로써, 질소산화물 제거 효과와 촉매 재생 효과를 향상시킬 수 있도록 하는 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원 시스템(Selective Catalyst Reduction System)으로 불리는 SCR 시스템은, 선박 추진용 디젤 엔진, 플랜트 발전용 디젤 엔진, 터빈 발전기 등에서 배출되는 질소산화물(NOx)을 선택적으로 제거하기 위한 시스템이다.
이러한 SCR 시스템은, 배기관의 도중에 촉매가 내장된 SCR 반응기(SCR Chamber)를 설치하고, 배기가스 내에 암모니아나 요소수용액(Urea)과 같은 환원제를 공급하기 위한 환원제 공급 장치를 구비하여, 배기가스 내의 질소 산화물(NOx)을 촉매(Catalyst) 층에서 암모니아(NH3), 우레아(Urea) 등의 환원제와 화학적으로 반응시켜 인체에 무해한 물과 질소로 분해한 후 배출시킨다(특허문헌 1 내지 3 참조).
일반적으로, SCR 시스템에서는 환원제를 공급하기 위해 SCR 반응기에 유입되는 배기가스에 요소수용액을 분사시키면 배기가스의 온도에 의해 기화되면서 암모니아로 분해되고, 분해된 암모니아가 반응에 참여한다.
배기가스의 온도가 낮은 저압 SCR 시스템에서는 요소수용액으로부터 암모니아 분해가 충분히 일어나지 못하기 때문에, 별도의 가열원을 통해 요소수용액을 먼저 암모니아로 분해하여 배기가스에 분사하게 된다.
이처럼 배기가스에 포함된 질소산화물 제거를 위한 SCR 촉매의 화학반응 효율은 SCR 반응기 내부의 배기가스 온도에 의한 영향을 많이 받는데, SCR 시스템이 저온(예를들어, 약250℃ 이하)에서 운용되는 경우에 배기가스에 포함된 황이 암모니아와 반응하여 AS(황산암모늄)나 ABS(중황산암모늄) 등을 다량으로 생성한다. 특히 ABS의 경우에는 촉매 표면에 침적되어 촉매 기공을 막거나 촉매반응에 참여하는 활성성분을 오염시키기 때문에 주기적으로 촉매 재생을 해주어야 한다.
촉매의 재생은 고온(예를 들어, 350℃ 이상)의 가스를 촉매와 접촉시켜 촉매 표면에 부착된 ABS를 기화시켜 촉매의 성능을 회복시키는 것으로 수행된다.
위와 같이 SCR 반응기 내부의 배기가스 온도는 SCR 운전시와 함께 재생 운전 시에도 중요하다.
그런데 SCR 반응기가 수평으로 설치되는 시스템에서 특히 배기가스의 유속이 느릴 경우에는, 배기가스의 밀도 차이에 의한 흐름이 반응기 내부에서 발생하여 높은 온도의 배기가스는 반응기의 상부로 이동하고 낮은 온도의 배기가스는 반응기의 하부로 이동하여 반응기의 상, 하부 영역 사이에 심한 온도 편차가 발생하게 된다.
반응기 내부의 온도 분포가 균일하지 않으면, SCR 반응기의 온도 제어에 어려움이 발생하고 촉매 화학반응이 불완전하게 일어나는 영역이 존재하여 SCR 효율, 즉, 질소산화물 제거 효율을 떨어뜨리게 된다.
SCR 반응기의 상부와 하부의 온도 분포를 균일하게 하기 위한 한가지 방법으로, 배기가스의 유속을 일정속도 이상으로 빠르게 유지하거나 배기가스 온도를 설정온도 이상으로 더 높게 유지하는 것을 생각할 수 있겠지만, 배기가스의 유속은 엔진 부하에 따라 증감되기 때문에 그 제어가 간단치가 않고 별도의 송풍 장치나 열 공급장치와 함께 복잡한 제어 모듈을 필요로 하게 된다.
대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2016-0011165호 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1613796호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, SCR 촉매가 내장된 SCR 반응기 내부의 배기가스 밀도 차이에 따른 영역별 온도 차이를 줄이고, 지나치게 낮은 온도 영역을 줄이며, 전체적으로 촉매 반응에 적합한 높은 온도를 유지함으로써, 질소산화물 제거 효과와 촉매 재생 효과를 향상시킬 수 있는 구조를 가지는 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기를 제공하는 것에 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기는, 내부에 SCR 촉매가 구비되며 수평으로 설치되는 반응기 동체(110); 상기 반응기 동체(110)의 입구단부(112)에 형성되는 입구 패널(120); 상기 입구 패널(120)에 연결되는 입구 배기관(22); 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)에 형성되는 출구 패널(130); 상기 출구 패널(130)에 연결되는 출구 배기관(24); 을 포함하며, 상기 출구 배기관(24)의 중심축(X2)이 상기 반응기 동체(110)의 중심축(X1)보다 아래쪽으로 치우쳐 형성되어 반응기 동체(110)를 통과하는 배기가스의 흐름을 반응기 동체(110)의 아래쪽으로 유도하여 출구 배기관(24)으로 배출시키도록 이루어진다.
본 발명에 따른 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기에 있어서, 상기 반응기 동체(110)와 입구 배기관(22)은 공통의 중심축(X1)을 가지도록 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기에 있어서, 상기 출구 패널(130)은, 상기 출구 배기관(24)이 연결되는 출구판부(132); 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 상단으로부터 경사져 내려와 상기 출구판부(132)의 상단을 연결하는 상부 연장판부(136); 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 하단으로부터 상기 출구판부(132)의 하단을 연결하는 하부 연장판부(138); 를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 방향에 따른 SCR 반응기는, 내부에 SCR 촉매가 구비되며 중공의 사각기둥을 수평으로 눕힌 형태로 이루어지는 반응기 동체(110); 상기 반응기 동체(110)의 입구단부(112)를 막아 형성되는 입구 패널(120); 상기 입구 패널(120)에 연결되는 입구 배기관(22); 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)를 막아 형성되는 출구 패널(130); 중심축(X2)이 상기 반응기 동체(110)의 중심축(X1)보다 아래쪽으로 치우친 위치에서 상기 출구 패널(130)에 연결되는 출구 배기관(24); 을 포함하며, 상기 출구 패널(130)은, 상기 출구 배기관(24)이 연결되며 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 단면적보다 작은 단면적을 가지고 출구단부(114)로부터 축방향으로 떨어진 지점에 위치하는 4각의 판 모양의 출구판부(132); 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 4개의 변과 상기 출구판부(132)의 4개의 변을 서로 연결하는 측면 연장판부(134)(134), 상부 연장판부(136) 및 하부 연장판부(138)를 가지도록 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기에 의하면, 출구 배기관의 중심축이 반응기 동체의 중심축에 대해 아래로 편심 되어 있으므로, 반응기 동체 내부로 들어온 배기가스는 낮은 위치의 출구 배기관으로 유도되어 나가는 흐름을 형성하게 된다.
따라서 반응기 동체의 바닥부분이라고 하더라도 종래에 비해 온도가 상승하며 온도가 낮은 영역도 매우 좁게 형성되며, 그에 따라 출구에 가까운 촉매라고 하더라도 저온 영역이 거의 없게 되어 촉매의 화학반응이 충분히 일어나 질소산화물 제거 효율을 향상시킬 수가 있다.
도 1은 종래의 일반적인 수평형 SCR 반응기를 보인 사시도이다.
도 2는 종래의 수평형 SCR 반응기의 구조 및 그 내부의 온도 분포를 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 SCR 반응기의 구조를 보인 사시도이다.
도 4는 도 3의 SCR 반응기의 측면도이다.
도 5는 도 4의 SCR 반응기 출구판의 외부 형태를 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 4의 SCR 반응기 출구판의 내부 형태를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 4의 SCR 반응기 출구판의 측면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수평형 SCR 반응기 내부의 온도 분포를 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 양호한 실시예를 구체적으로 설명한다.
본 발명을 설명하기에 앞서 종래의 SCR 반응기의 구조 및 내부 온도분포를 설명한다.
도 1 및 도 2는 종래의 일반적인 SCR 반응기를 보인 것으로서, 도 1에는 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 SCR 반응기의 구조 및 그 내부의 온도 분포 시험 결과를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에서, 종래의 SCR 반응기(10)의 구조를 살펴보면, SCR 반응기(10)의 입구 측에 입구 배기관(22)이 연결되고 출구 측에 출구 배기관(24)이 연결된 구조를 가진다.
특히, SCR 반응기(10)의 입구 배기관(22)과 출구 배기관(24)의 중심축이 동일한 높이에 배치되고, 입구 배기관(22)과 출구 배기관(24)의 중심축과 동체의 중심축도 일치하는 구조로 이루어져 있다.
SCR 반응기(10)의 동체 내부에는 복수의 촉매(12, 14, 16)가 각각 '가', '나', '다'의 위치에 배치되어 있다.
배기가스는 입구 배기관(22)을 통해 반응기 동체 안으로 들어간다. SCR 반응기(10)의 동체 안으로 들어온 배기가스는 SCR 촉매(12, 14, 16)를 거치면서 질소산화물이 제거된 후 제2 배기관(24)을 통해 밖으로 배출된다.
<온도 해석 조건>
도 2에 도시된 SCR 반응기(10) 내부의 온도 해석 조건은 아래의 [표 1]과 같다.
반응기 내부 온도 해석 조건
유체 공기(열용량: 1006.43 j/kg℃)
유입 온도 425℃
유입 유량 3kg/s
동체 외부 단열재 Ceramic wool 150t(0.085 W/m℃)
반응기 설치 방법 수평
외기 온도 10℃
도 2를 참조하면, SCR 반응기(10)의 동체 안으로 들어온 배기가스의 흐름 과정에서, 상대적으로 온도가 높은(밀도가 낮은) 배기가스는 동체의 위쪽으로 이동하고, 온도가 낮은 배기가스는 동체의 아래쪽으로 이동하게 된다.
이러한 현상에 따라 동체의 아래쪽에 넓은 영역에 걸쳐 온도가 극히 낮은 영역이 존재하게 된다. 또한, 이러한 현상은 출구 배기관(24) 쪽으로 갈수록 심해져서, 출구 배기관(24)에 인접한 촉매(16)의 아래쪽에는 저온 영역이 매우 넓게 자리하게 된다.
이러한 현상은 종래의 SCR 반응기(10)가, 입구 배기관(22)과 출구 배기관(24)이 동체의 중심에 일치하여 배치되고, 입구 배기관(22)과 출구 배기관(24)의 중심이 서로 일치하는(동일한 높이에 위치하는) 구조이기 때문에 더욱 심화 된다.
따라서, 입구측 촉매(12)로부터 출구측 촉매(16)로 갈수록 아래쪽에 저온 역역이 더 넓게 존재하게 되어 촉매의 화학반응이 불완전하게 일어나게 되어 질소산화물 제거 효율을 떨어뜨리게 된다.
<실시예>
이하, 첨부도면 도 3 내지 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.
우선, 도 3 내지 도 4는 본 발명에 따른 SCR 반응기의 구조를 보인 것으로서, 도 3에는 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 측면도가 도시되어 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 SCR 반응기(100)는, 내부에 SCR 촉매가 구비되며 수평으로 설치되는 반응기 동체(110)와, 반응기 동체(110)의 입구 측에 형성되는 입구 패널(120)과, 입구 패널(120)에 연결되는 입구 배기관(22)과, 반응기 동체(110)의 출구 측에 형성되는 출구 패널(130)과, 출구 패널(130)에 연결되는 출구 배기관(24)을 포함하여 이루어진다.
반응기 동체(110)는 배기가스 흐름 방향에 나란한 중심축(X1)을 가지고, 출구 배기관(24)은 배기가스 흐름 방향에 나란한 중심축(X2)을 가진다.
출구 배기관(24)의 중심축(X2)은, 반응기 동체(110)의 중심축(X1)보다 아래쪽으로 치우쳐 형성된다. 즉, 도 4에서 거리 'D'만큼 편심되어 배치된다.
따라서, 반응기 동체(110)를 통과하는 배기가스의 흐름이 반응기 동체(110)의 아래쪽으로 유도되어 출구 배기관(24)을 통해 배출된다.
입구 배기관(22)은 반응기 동체(110)와 공통의 중심축(X1)을 가지도록, 즉, 입구 배기관(22)의 중심축이 반응기 동체(110)의 중심축(X1)에 일치하도록 형성할 수 있다.
출구 패널(130)은, 출구 배기관(24)이 연결되는 출구판부(132)와, 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 상단으로부터 경사져 내려와 출구판부(132)의 상단을 연결하는 상부 연장판부(136)와, 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 하단으로부터 출구판부(132)의 하단을 연결하는 하부 연장판부(138)를 가질 수 있다.
출구 배기관(24)이 반응기 동체(110)에 대해 거리 'D'만큼 아래로 편심되기 때문에, 출구판부(132)도 그만큼 아래로 치우쳐 배치된다.
따라서, 상부 연장판부(136)는 출구판부(132) 방향으로 매우 급하게 경사져 내려가는 형태를 이루고, 하부 연장판부(138)는 거의 직선(도 4에 도시된 형태) 또는 약간 경사져 올라가는 형태를 이룬다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 SCR 반응기(100)의 출구 패널(130)에 대한 하나의 실시 형태를 나타내는 것으로서, 도 5에는 외부에서 바라본 형태를 나타낸 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 내부에서 바라본 형태를 나타낸 사시도가 도시되어 있으며, 도 7에는 측면도가 도시되어 있다.
도 5 내지 도 7은 반응기 동체(110)가 중공의 사각기둥을 수평으로 눕힌 형태로 이루어지는 경우에 알맞은 형태이며, 그와 함께 출구 배기관(24)의 중심축(X2)이 반응기 동체(110)의 중심축(X1)보다 아래쪽으로 치우친 위치에서 연결되도록 하기 위한 형태이다.
즉, 중공의 사각기둥을 수평으로 눕힌 형태로 이루어지는 반응기 동체(110)는, 그 출구단부(114)에 4개의 변을 가진다(도 3 병행 참조).
출구 패널(130)은, 4각형을 이루는 반응기 동체(110)의 출구단부(114)에 대응하는 4각의 판 모양의 출구판부(132)를 구비한다.
출구판부(132)는 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 단면적보다 작은 단면적을 가지고, 출구단부(114)로부터 축방향으로 소정 거리 떨어진 지점에 위치하며, 출구 배기관(24)을 끼워 연결하기 위한 연결 플랜지(140)가 형성된다.
이러한 출구판부(132)의 4개의 변과 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 4개의 변을 각각 연결하는 형태로, 각각 측면 연장판부(134)(134), 상부 연장판부(136) 및 하부 연장판부(138)을 가진다.
출구 배기관(24)을 반응기 동체(110)에 대해 아래쪽으로 치우쳐 연결하기 위해, 상기 출구판부(132)는 그만큼 아래로 치우친 위치에 위치하므로, 상부 연장판부(136)는 출구판부(132) 방향으로 매우 급하게 경사져 내려가는 형태를 이루고, 하부 연장판부(138)는 거의 직선(도 7에 도시된 형태) 또는 약간 경사져 올라가는 형태(출구판부(132)의 면적이 도 7에 도시된 것보다 작은 경우)를 이룬다.
도 8에는 위와 같이 이루어진 본 발명의 SCR 반응기 내부의 온도 분포를 해석한 결과를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
반응기 내부의 온도 해석 조건은 위의 [표 1]과 동일하다.
도 8을 참조하면, 배기가스는 입구 배기관(22)을 통해 반응기 동체(110) 안으로 들어간다. 반응기 동체(110) 안으로 들어온 배기가스는 SCR 촉매(12, 14, 16)를 거치면서 질소산화물이 제거된 후 제2 배기관(24)을 통해 밖으로 배출된다.
입구 배기관(22)을 통해 SCR 반응기(100)의 동체(110) 안으로 들어온 배기가스의 흐름 과정에서, 상대적으로 온도가 높은(밀도가 낮은) 배기가스는 동체의 위쪽으로 이동하려고 하고, 온도가 낮은 배기가스는 동체의 아래쪽으로 이동하려고 한다.
본 발명에 따른 SCR 반응기(100)에 의하면, 출구 배기관(24)의 중심축(X2)이 반응기 동체(110)의 중심축(X1)에 대해 거리 'D'만큼 아래로 편심 되어 있으므로, 반응기 동체(110) 내부로 들어온 배기가스는 낮은 위치의 출구 배기관(24)을 향하는 흐름을 형성하게 된다.
이에 따라 상대적으로 온도가 높은(밀도가 낮은) 배기가스가 반응기 동체(110)의 위쪽으로 이동하려는 경향이 줄어들고 낮은 위치의 출구 배기관(24)으로 유도되려는 경향이 증가하게 된다.
또한, 출구 패널(130)의 상부 연장판부(136)의 경사에 의해 배기가스의 흐름이 출구 배기관(24)으로 더욱 원활하게 유도되고 정체류를 방지하므로 반응기 동체(110) 상부 측에 있는 높은 온도의 배기가스가 낮은 위치의 출구 배기관(24)으로 유도되려는 경향이 더욱 증가하게 된다.
이러한 현상에 따라, 도 8에 나타난 결과와 같이, 반응기 동체(110)의 바닥부분이라고 하더라도 종래(도 2 참조)에 비해 온도가 높게(종래에 극히 낮은 온도보다 더 높은 온도) 형성되고, 온도가 낮은 영역도 매우 좁게 형성된다.
따라서, 출구측 촉매(16)라고 하더라도 저온 영역이 거의 없게 되어 촉매의 화학반응이 충분히 일어나게 되므로 질소산화물 제거 효율이 향상된다는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
12, 14, 16: 촉매
22: 입구 배기관
24: 출구 배기관
100: SCR 반응기
110: 반응기 동체
112: 입구단부
114: 출구단부
120: 입구 패널
130: 출구 패널
132: 출구판부
134: 측면 연장판부
136: 상부 연장판부
138: 하부 연장판부
140: 플랜지

Claims (4)

  1. 내부에 SCR 촉매가 구비되며 수평으로 설치되는 반응기 동체(110);
    상기 반응기 동체(110)의 입구단부(112)에 형성되는 입구 패널(120);
    상기 입구 패널(120)에 연결되는 입구 배기관(22);
    상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)에 형성되는 출구 패널(130); 및
    상기 출구 패널(130)에 연결되는 출구 배기관(24); 을 포함하며,
    상기 출구 배기관(24)의 중심축(X2)이 상기 반응기 동체(110)의 중심축(X1)보다 아래쪽으로 치우쳐 형성되어 반응기 동체(110)를 통과하는 배기가스의 흐름을 반응기 동체(110)의 아래쪽으로 유도하여 출구 배기관(24)으로 배출시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 동체(110)와 입구 배기관(22)은 공통의 중심축(X1)을 가지는 것을 특징으로 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 출구 패널(130)은,
    상기 출구 배기관(24)이 연결되는 출구판부(132);
    상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 상단으로부터 경사져 내려와 상기 출구판부(132)의 상단을 연결하는 상부 연장판부(136); 및
    상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 하단으로부터 상기 출구판부(132)의 하단을 연결하는 하부 연장판부(138); 를 포함하는 것을 특징으로 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기.
  4. 내부에 SCR 촉매가 구비되며 중공의 사각기둥을 수평으로 눕힌 형태로 이루어지는 반응기 동체(110);
    상기 반응기 동체(110)의 입구단부(112)를 막아 형성되는 입구 패널(120);
    상기 입구 패널(120)에 연결되는 입구 배기관(22);
    상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)를 막아 형성되는 출구 패널(130); 및
    중심축(X2)이 상기 반응기 동체(110)의 중심축(X1)보다 아래쪽으로 치우친 위치에서 상기 출구 패널(130)에 연결되는 출구 배기관(24); 을 포함하며,
    상기 출구 패널(130)은,
    상기 출구 배기관(24)이 연결되며 상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 단면적보다 작은 단면적을 가지고 출구단부(114)로부터 축방향으로 떨어진 지점에 위치하는 4각의 판 모양의 출구판부(132);
    상기 반응기 동체(110)의 출구단부(114)의 4개의 변과 상기 출구판부(132)의 4개의 변을 서로 연결하는 측면 연장판부(134)(134), 상부 연장판부(136) 및 하부 연장판부(138)를 가지는 것을 특징으로 온도분포 균일성이 향상된 SCR 반응기.
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