PT99718B - Processo para a realizacao de combustao em fornalha com producao reduzida de oxidos de azoto - Google Patents

Processo para a realizacao de combustao em fornalha com producao reduzida de oxidos de azoto Download PDF

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Description

Campo Técnico
Esta invenção refere-se genericamente ao campo de combustão e mais partieularmente em um forno.
Antecedentes da Invenção b Os mecanismos básicos de formação de óxidos de nitrogénio (NO ) em processos de combustão têm sido extensamente estudados e mui.tos processos são conhecidos para redução de emissões NO a partir de fontes de combustão. Para reX dução de NQX térmico, ou N0x formado a partir das reações de nitrogénio molecular e oxidantes, redução de temperaturas de chama de pico é considerado ser o requisito chave. A partir do ponto de vista teórico, a emissão de Ν0χ. mais baixa pode ser obtida quando as reações de combustão se procedem homogeneamente por todo o forno na temperatura mais baixa permissível para o processo de combustão. Na prática convencional, combustível e oxidante são introduzidos a partir de um queimador em um forno para produzir uma chama estável onde intensas reações de combustão ocorrem. Quando
combustível e oxigénio são pós-misturados, a reação de combustão ocorre nos limites ‘dos pequenos fragmentos f.luidos de combustível e oxigénio criados pela turbulência. Temperatura local na frente da chama frequentemente aproxima-se da temperatura de chama teórica e portanto um alto nível de N0v. é for mdo.
Um caminho eficaz para supressão da temperatura de chama é reduzir-se as concentrações de combustível e/ou oxigénio na frente da chama através de diluição com outros gases não-reagentes. Recirculação de gás de conduto através de mistura com combustível ou oxidante antes da introdução de correntes de combustível ou oxidante em um queimador é um modo eficaz para reduzir NO^.. Diluição em forno de combustível ou oxigénio através de desenho de queimador é também praticado. Muitos métodos conhecidos para redução de ΝΟχ lidam com aperfeiçoamentos no processo de mistura, de combustível e oxidante no, ou perto do, queimador para reduzir a temperatura de chama de pico. Os níveis de emissão de NOx obtidos por tai processos conhecidos estão ainda substancialmente acima dos mais baixos níveis possíveis previstos para o reator homogéneo ideal no qual a temperatura e concentrações de espécies são uniformes por todo o forno e reacções de combustão ocorrem uniformemente.
Um processo de combustão que pode permitir baixa formação de N0x, mais perto da baixa taxa ideal do que podem, processos de combustão conhecidos, é desejável.
Da mesma maneira, é um objecto desta invenção prover um processo de combustão aperfeiçoado onde combustão pode ser realizada com baixa formação de.N0x.
Resumo da Invenção objecto ac.ima e outros que tornar-se-ão visí. veis para laguém versado na técnica com uma leitura desta ex posição sao obtidos através de: um processo para realização de combustão com baixa formação de N0x compreendendo:
(A) provimento de uma zona de combustão contendo uma atmosfera de gases de forno em uma temperatura excedendo 537,7°C;
(B) injecção na zona de combustão de uma corrente oxidante-e mistura de gases de forno com o oxidante injectado em uma zona de mistura de oxidante dentro da zona de combustão para produzir uma mistura oxidante tendo uma concentração de oxigénio que é não mais que 10 por- cento;
(C) fluindo a mistura oxidante para fora da zona de mistura de oxídante para prover gases de forno adicionais para a zona de combustão;.
(D) injecção na zona de combustão de uma corrente de combustível, mistura de gases de forno com o combustível injectado em uma zona de reacção de combustível dentro da zonja de combustão, e realização de combustão com baixa formação de Ν0:χ dentro da zona de reacção de combustível para produzir uma mistura de reacção de combustível;
(E) fluxo da mistura de reacção de combustível para fora da zona de reacção de combustível para prover gases de forno adicionais para a zona de combustão;
I
' (F) criação de mistura suficiente dentro da zoI j na de combustão de modo que a composição da atmosfera em pontos dentro da zona de combustão fora da zona de mistura de
I oxidante e a zona de combustível seja substancialmente a mesma ; e (G) manutenção da zona de mistura de oxidante e a zona de reacção de combustível segregados dentro da zona de combustão.
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Breve Descrição dos Desenhos
As Figuras 1-8 são representações esquemáticas simplificadas de várias configurações que podem ser empregadas na prática da invenção.
A Fig.9 é uma representação gráfica de resultados de um número de testes da invenção.
Descrição Detalhada
A invenção compreende o estabelecimento de pelo menos uma zona de mistura oxidante e pelo menos uma zona de reacção de combustível dentro de um forno ou zona de combustão e manutenção da zona ou zonas de mistura oxidante separada ou segregada da zona ou zonas de reação de combustível enquanto a combustão é realizada. A invenção ainda compreende a diluição de oxidante com gases de forno e a combustão de combustível sob condições que evitam altas concentrações de
I combustível e oxigénio evitanto assim as condições que favore cem formação de N0x. 0 combustível e oxidante injectados na ( zona de combustão em uma maneira para criar mistura suficien-j
te dentro da zona de combustão de modo que há uma atmosfera de zona de combustão substancialmente uniforme fora das zonas de mistura de oxidante e de reaeção de combustível. Em uma realização preferida, combustível e oxidante são injectados no forno ou zona de combustão orientados em forte fluxo de re circulação é estabelecido dentro do forno ou zona de combustão.
A invenção será descrita em detalhes com referência à Figura 1. Referindo-se agora à Figura 1, zona de combustão 1· contém uma atmosfera 6 de gases de forno. Exemplos típicos de zonas de combustão onde o processo da invenção pode ser eficazmente praticado incluem fornos de reaquecimento de aço, fornos -de fusão de vidro, fornos de re-fusão de aluiní nio, incineradores, e outros fornos industriais que operam com temperaturas de forno acima de 537/7° C. Os gases de forno que compreendem a atmosfera dentro da zona de combustão compreendem gases ambientes que se infiltram na zona de combustão e gases a partir da mistura oxidante e mistura de reaç. ção de combustível que será mais tarde inteiramente descrita. Espécies individuais que podem estar presentes como gases de forno dentro da zona de combustão incluem oxigénio, nitrogénio, dióxido de carbono, vapor de . água,-argon e outra^ espécies menores tais como óxidos de nitrogénio, óxidos de enxofre, monóxido de carbono e hidrogénio.
A temperatura da atmosfera dentro da zona de combustão excede 537, 7° C, e preferivelmente excede 760 C. A temperatura mínima ótima irá variar, por exemplo, com o tipo de combustível usado. A temperatura é mantida pela combustão dentro da zona de reaeção de combustível e pela recirculação de gases dentro da zona de combustão. Através da manutenção da temperatura dos gases de forno dentro da zona de combustão
acima de 537, 7 C, uma fonte de ignição separada nao é necessária uma vez que a combustão tenha sido iniciada. Desta mane, ra, mesmo a mistura diluída na zona de reacção de combustível pode ser queimada suavemente e homogeneamente assim contribuiji do para a baixa formação de NO^ obtida pela invenção.
Oxidante 2 é injetado na zona de combustão. 0 oxidante pode ser qualquer oxidante eficaz, incluindo ar, ar enriquecido com oxigénio tendo uma concentração de oxigénio maior que aquela de ar, oxigénio tecnicamente puro tendo uma concentração de oxigénio de 99,5 por cento ou mais. 0 oxidante preferido tem uma concentração de oxigénio de pelo menos 90 por.cento. 0 oxidante é injectado na zona de combustão com uma velocidade suficiente para arrastar ou misturar gases de forno com o oxidante injectado. Genericamente a velocidade do oxidante será pelo menos 60,9 metros por .segundo e preferivelmente estará dentro da faixa de 76,6 a 304,8 metros por segun do. A velocidade do oxidante é tal que gases de forno suficientes misturam-se com o oxidante injectado para diluir a concentração de oxigénio do oxidante de modo que uma mistura oxi. dante é produzida tendo uma concentração de oxigénio de não mais de 10 por cento e preferivelmente não mais do que 5 por cento. Por exemplo, se ar é o oxidante, a concentração de oxi génio inicial do oxidante é cerca de 21 por-cento. Se a concen tração de oxigénio média de gás de forno arrastado na corrente oxidante é 2 por. cento e 20 moles de gás de forno são mistu rados por mol de oxidante, a concentração de oxigénio após mistura torna-se cerca de 2,9 por cento. Quando oxigénio puro ou ar enriquecido com oxigénio é usado como o oxidante, maior arraste do gás de forno é requerido para reduzir a concentração de oxigénio para o mesmo nível. Nenhuma reacção de combu£ tão ocorre uma vez que atmosfera de forno arrastada está subs. tancialmente livre de combustível.
Os gases de forno misturam-se ou sao arrastados no oxidante devido à turbulência ou ao efeito de aspiração causado pela alta velocidade da corrente oxidante. à mistura dos gases de forno com o oxidante injectado ocorre dentro de uma zona de mistura de oxidante mostrada como 4 na Figura 1. As setas apontadas na direcção da zona de mistura de oxidante 4 mostram os gases de forno sendo retirados na zona de mistura de oxidante 4 para ali misturar-se com o oxidante.
A mistura oxidante resultante, contendo uma con centração significantemente menor de oxigénio do que estava presente no oxidante injectado, flui para fora da zona de mis tura de oxidante 4, e serve para formar parte da atmosfera dentro da zona de combustão. 1. Ou seja, a mistura oxidante provê gases de forno adicionais para a zona de combustão.
Combustível 3 é injectado na zona de combustão. 0 combustível pode ser gasoso, líquido ou fluido suportado por sólidos finos e pode ser qualquer fluido que queime com oxidante. Preferivelmente, o combustível é gasoso. Entre os muitos combustíveis que podem ser empregados na prática desta invenção pode-se nomear metano, propano, gás de forno de coque, óleo combustível e carvão pulverizado.
Gases de forno a partir da atmosfera dentro da zona de combustão fluem para, como mostrado pelas setas na Figura 1, e misturam-se com a corrente dé combustível injecta da na zona de combustão devido à turbulência causada pela injecção de corrente de combustível, e o oxigénio dentro dos gases de forno queimam com combustível na zona de reacção de combustível 5.
Combustível reage com moléculas de oxigénio con tidas nos gases de forno espontaneamente quando a temperatura de gás de forno está acima da temperatura de auto-ignição de combustível e oxigénio. Uma vez que a concentração de oxigénio em gás de forno é muito baixa, reações de combustão se pro cedem lentamente e a temperatura de chama é mantida baixa devido à presença do grande número de moléculas não-reagentes (C02, H20, N2) na zona de reacção de combustível. Por exemplo se 'o combustível é metano e a concentração média de oxigénio no gás de forno arrastado na zona de combustão de combustível é 3 porcento, 67 volumes de gás de forno são requeridos por volume de combustível para completar as reacções de combustão
Como mencionado, é preferido que a temperatura dentro da zona de combustão exceda 760 C. Em temperaturas-. abaixo de 760 C é possível que certas instabilidades de chama possam surgir. Em uma tal situação a injecção na zona de combustão da corrente de combustível de uma pequena quantidade de oxidante estabilizante, tal como uma corrente anular ao redor da corrente de combustível, pode ser desejável para curar quais quer instabilidades de chama que possam surgir.
!
A combustão de combustível e oxigénio sob as condições prevalescendo na zona de reacção de combustível pro duz produtos de reacção de combustão tais como dióxido de car bono e vapor de agua mas produz muito poucos óxidos de nitrogé nio* A quantidade real de óxidos de nitrogénio produzida vari_ ará com cada situação particular e dependerá de tais factores com a temperatura de gás de forno e o tempo de reacção.
A mistura de reacção de combustível resultante incluindo os produtos de reacção de combustão flui para fora da mistura de reacção de combustível como indicado pelas setas na Figura 1 e serve para formar parte da atmosfera dentro
da zona de combustão assim provendo gases de forno adicionais para a zona de combustão. Dentro da zona de reacção de combus tível o combustível sofre combustão substancialmente completa de modo que não há quantidade significante de combustível não queimado ou incompletamente queimado na zona de combustão fora da zona de reacção de combustão.
Ê importante na prática desta invenção que a zona de mistura de oxidante e a zona de reacção de combustível sejam mantidas separadas uma da outra ou segregadas dentro da zona de combustão. Desta maneira combustão é restrita principalmente à zona de reacção de combustível e sob condições que amortecem formação de Ν0χ:. Embora as várias etapas do processo tenham sido descritas de maneira sequencial separada para propósitos de clareza, é apreciado por aqueles versados na técnica que as etapas do processo são conduzidas substancialmente simultaneamente.
A zona de mistura de oxidante e a zona de reacção de combustível podem ser mantidas segregadas pelo posicionamento dos pontos de injecção e orientação das direcções de injecção do combustível e oxidante de modo a evitar intera cção ou sobreposição antes da diluição requisitada dentro da zona de mistura de oxidante ou o requisito de combustão substancialmente completa dentro da zona de reacção de combustível. As Figuras 2-8 ilustram uma variedade de diferentes pontos de injecção e ângulos de injecção, em adição à queles ilustrados na Figura 1, que podem ser usados. Nas Figuras 2-8, 0 designa uma zona de mistura de oxidante e F designa uma zona de reacção de combustível.
combustível e oxidante sao injectados na zona de combustão em uma maneira para se obter mistura suficiente
dentro da zona de combustão de modo que a atmosfera da zona de combustão fora da zona de mistura de oxidante e zona de reacção de combustível é substancialmente homogénea. Em uma realização particularmente preferida, o combustível e oxidan te são injectados na zona de combustão de modo a promover um padrão de recirculação dos gases de forno dentro da zona de combustão. Isto contribui para distribuição de temperatura e homogeneidade de gás aperfeiçoadas dentro da zona de combustão e aperfeiçoa a mistura dentro da zona de mistura de oxidante e zona de reacção de combustível, resultando em combustão mais suave e retardando formação NO. . Com óptima recirculação de gás de forno dentro da zona de combustão, a composição do gás de conduto retirado da zona de combustão tal como através de conduto 7 na Figura 1 é substancialmente a mesma como a composição da atmosfera em pontos dentro da zona de combustão fora da zona de mistura de oxidante e zona de reacção de combustível. 0 padrão de recirculação promove o arraste dos gases de forno à jusante da zona de reacção de combustível na corrente de oxidante e o arraste dos gases de forno à jusante da zona de mistura de oxidante na corrente de combustível.
Como mencionado, as Figuras 2-8 ilustram exemplos de outras realizações da invenção. As Figuras 2-5 mostram casos com correntes de combustível e oxidante múltiplas alternantes. Figuras 6 e 7 mostram exemplos onde pontos de in jecção de oxidante e combustível estão localizados perto um do outro e injectados a partir da mesma parede de forno. Em tais casos é particularmente importante injectar-se ambas cor rentes oxidante e de combustível em altas velocidades afastadas uma da outra de modo que a zona de mistura de oxidante e a zona de reacçao de combustível não sejam sobrepostas. Uma vez que o jacto dominante com um fluxo de alto momento tende a engolfar e arrastar o jacto mais fraco com um fluxo de momento substancialmente menor, a razão de fluxos de momento de combustível e oxidante tem de ser mantida dentro de 1/5 para 5 quando injectados a partir de proximidade. A Figura 8 mostra um exemplo onde ambos oxidante e combustível são injectados a partir da mesma parede com espaçamento suficiente entre os dois jactos.
Os exemplos que se seguem são apresentados para propósitos ilustrativos e não são pretendidos serem limitantes.
Uma série de testes de combustão do processo desta invenção foi realizada em um forno de teste cilíndrico forrado com refratário tendo um diâmetro interno de 91,4 cm e um comprimento de 233,6 centímetros.
Testes foram conduzidos usando-se gás natural como combustível e oxigénio tecnicamente puro como .oxidante em uma taxa de queima constante de cerca de 19,838 m3 por hora de gás natural e em uma temperatura de parede de forno constante de 1260 C, medida no ponto médio da parede cilindri ca por um termopar. Duas a quatro tubulações de reservatório resfriados com água de 4,8 cm de diâmetro foram inseridas através de orifícios de acesso para simularem o efeito de uma carga tal como vidro ou aço que pode normalmente estar presen te no forno. Cerca de 42,5 a 1417 m3 por hora de nitrogénio foi introduzido no forno através de três orifícios de vista lédios para simular um forno real com várias concentrações de nitrogénio. Concentração de oxigénio no gás de conduto foi monitorada continuamente por um sensor in-situ localizado em um orifício de conduto e mantida em 2 a 2,5 por.cento em uma base através do ajuste da taxa de fluxo de oxigénio ou gás na tural. Ν0'χ foi medido por um analisador tipo quimio-lumines13
cente que foi adequadamente calibrado para os efeitos dos gases de fundo ( jf e CO^ ) ·
Primeiro, para propósitos comparativos, combustão foi realizada usando-se o processo de combustão de baixo NO' de muito sucesso comercial mostrado na patente US 4.378.
X
205 e estes resultados são mostrados na Figura 9 como A e B.
Os resultados dos Exemplos da presente invenção são representados na Figura 9 como C, D, E, F, G e Η. A velocidadede oxidante para os dois experimentos do Exemplo C foi 250,8 metros por segundo e 257,8 metros por segundo, A velocidade de oxidante para oxidante para Exemplos D-H foi co mo se segue: D-231, 6 metros por segundo, E-321,2 m/s, F-630, 9 m/s, G-630,9 m/s e H-746, 4 m/s. Nos exemplos C, D e E, com bustível foi injectado a partir de um orificio e oxigénio foi injectado a partir de duas lanças de oxigénio localizadas 180 graus afastadas na parede de extremidade de conduto. Este arranjo foi similar àquele mostrado na Figura 2. Diferentes bocais de combustível e oxigénio foram usados. Emissão de N0x. foi reduzida por cerca de 50% comparado ao caso comparativo otimizado B. Nos exemplos F e G ambos combustível e oxigénio foram introduzidos a partir da mesma área, mas bocais de oxigénio especiais com ângulos divergentes de 30 graus foram usa dos para evitar a interação de jactos de combustível e oxigénio. Este arranjo foi similar àquele mostrado na Figura 7. No exemplo H os bocais de oxigénio foram os mesmos como o Exemplo E e combustível foi injectado oposto a partir dos mesmos usando-se um bocal de combustível especial com dezesseis orifícios de 0,08 centímetros de diâmetro interno. Este arranjo foi similar àquele mostrado na Figura 4. A emissão de N0v mais baixa foi obtida com este arranjo. É importante notar que baixas emissões de N0x foram obtidas nos Exemplos C,D e
E sem usar-se os jactos de oxigénio de velocidade muito alta usados nos Exemplos F, G, H. Uma vez que maiores velocidades de jacto de oxigénio requerem altas pressões de suprimento de oxigénio, é desejável obter-se baixas emissões de NO-, sem o uso ,de velocidades muito altas de oxigénio.
objectivo da presente invenção é reduzir a formação de N0x em processos de combustão além do que tem sido obtido através de processos conhecidos enquanto provendo todos os requisitos práticos para combustão, isto é, reacção completa de combustível com oxidante, reacção estável e baixo ruído, e alta velocidade eficiência de transferência de calor A invenção obtém isto através da reacção de combustível com atmosferas de forno contendo uma baixa concentração de oxigénio em espaços relãtivamente grandes de um forno antes que misturando oxigénio não-diluido e combustível em, ou perto de um queimador pós-mistura convencional e criando uma chama intensa. Por exemplo, 1 mol de metano requer 2 moles de oxigénio para combustão estequiométrica. A grande quantidade de es pécies inativas quentes contidas em gás de forno (isto é ,
CO;, , Hy} e N'2) provê uma fonte térmica para ignição, reduz a taxa de reação, e provê um depósito térmico para manter a tem peratura de chama local baixa.
Embora a invenção tenha sido descrita em detalhes com referência a certas realizações específicas, aqueles versados na técnica reconhecerão que existem outras realizações da invenção dentro do espírito e escopo das reivindicações .

Claims (18)

  1. REIVINDICAÇÕES:
    <9>
    la. Processo para a realização de combustão em fornalha com produção reduzida de óxidos de azoto (NO^), caracterizado pelo facto de compreender as seguintes operações (A) preparar uma zona de combustão contendo uma atmosfera de gases de fornalha a uma temperatura superior a 537,7°C, (1000°F);
    (B) injectar na zona de combustão uma corrente comburente oxidante e misturar os gases da fornalha com o agente óxidante injectado numa zona de mistura de agente oxidante dentro da zona de combustão, para produzir uma mistura oxidante tendo uma concentração de oxigénio não superior a 10 por cento;
    *(C) retirar a mistura oxidante da zona de mistura oxidante para obter gases de fornalha adicionais poara a zona de combustão;
    (D) injectar na zona de combustão uma corrente de combustível, misturar os gases da fornalha com o combustível injectado numa zona de reacção do combustíval dentro da zona de combustão e realizar a combustão com uma tradução reduzida de óxidos de azoto (NOr) dentro da zona de reacção do combustível, para produzir uma mistura de reacção do combustível;
    (E) retirar a mistura de reacção de combustão do combustível da zona de reacção do combustível para ο
    alimentar gases de fornalha adicionais à zona de combustão;
    (F) provocar uma mistura suficiente dentro da zona de combustão de forma que a composição da atmosfera em pontos dentro da zona de combustão, fora da zona de mistura com o agente oxidante e na zona de reacção do combustível seja substancialmente a mesma; e (G) manter a zona de mistura com o agente oxidante e a zona de reacção de combustível separadas dentro da zona de combustão.
  2. 2a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de se injectar uma pluralidade de correntes de agente oxidante comburente na zona de combustão.
  3. 3a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de se injectar uma pluralidade de correntes de combustível na zona de combustão.
  4. 4a. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de se estabelecer uma pluralidade de zonas de mistura com um agente oxidante dentro da zona de combustão.
  5. 5a. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de se estabelecer uma pluralidade de zonas de reacção do combustível dentro da zona de combustão.
  6. 6a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o mencionado agente comburente oxidante ser ar.
  7. 7a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido agente comburente oxidante ser ar enriquecido com oxigénio.
  8. 8a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o mencionado agente oxidante comburente ser oxigénio tecnicamente puro.
  9. 9a. Processo de caracterizado pelo compreender metano.
    acordo com facto de o a reivindicação 1, referido combustível
  10. 10a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de se injectar o combustível e o agente oxidante comburente na zona de combustão, a partir de lados diferentes da zona de combustão.
  11. 11a. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de se injectar o combustível e o agente oxidante comburente na zona de combustão, a partir de lados opostos da zona de combustão.
  12. 12a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de se injectar o combustível e o agente oxidante comburente na zona de combustão de maneira a estabelecer uma corrente de recirculação dentro da zona de combustão.
  13. 13a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura dos gases da fornalha ultrapassar 760°C (1400°F).
  14. 14a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a mistura com agente oxidante comburente produzida na zona de mistura com agente oxidante possuir uma concentração de oxigénio que não é superior a 5 por cento.
  15. 15a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido combustível sofrer uma combustão substancialmente completa dentro da zona de reacção do combustível.
  16. 16a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a atmosfera da zona de combustão fora da zona de reacção do combustível não conter substancialmente nenhum combustível.
  17. 17a. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de se injectar um agente oxidante comburente de estabilização na zona de combustão próxima da corrente de combustível.
  18. 18a. Processo de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo facto de o mencionadfo agente de estabilização formar uma corrente anular em volta da corrente de combustível.
    Lisboa,6 de Dezembro de 1991
    0 Agente Oficial da propriedade Industrial
    AfóÉRICO DA SILVA CARVALHO
    Àyêfife Oficial de Propriedade indústria!
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