JP6938688B2 - 脱硫システム - Google Patents

Description

本発明は、火力発電所や工場等に設置されるボイラー等の燃焼設備から排出される、排ガスを浄化するための脱硫システムに係り、脱硫装置の初期コスト及び運転に必要なポンプ消費動力を低減可能な脱硫システムに関する。

火力発電所におけるボイラー等から排出される排ガス中の硫黄酸化物を除去する手段として、湿式石灰石石膏法が広く用いられている。排ガス中の硫黄酸化物は、吸収スラリを循環しスプレしている吸収塔を通過し、スラリと接触することで排ガス中から除去される。

図９は従来の脱硫システムの説明図（側面図）である。
図１０は図９の矢印Ｘ方向から見た図（正面図）である。
図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。
図１２は図１１における排ガスの流れの説明図である。
図１３は従来の脱硫システムの説明図であり、図９とは入口ダクトの高さが異なる脱硫システムの説明図である。
図１４は図１３の矢印ＸＩＶ方向から見た図（正面図）である。
図１５は図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。
図１６は図１５における排ガスの流れの説明図である。

図９、図１３において、従来の脱硫システム０１では、排ガスは吸収塔０２の下部に配置された吸収スラリタンク０３の液面上部に接続したダクト０６から導入され、鉛直上方に流れる。吸収塔０２内では、吸収スラリが複数のノズル０４からスプレされる。したがって、排ガスが吸収塔０２内を流れる際に、吸収スラリと接触することで、硫黄酸化物が除去される。
図１１〜図１６において、排ガスを吸収塔０２に導入するダクト０６（以下、入口ダクト）部分については、流速を一定範囲（１０〜１５ｍ／ｓ程度）に保てるように、形状・大きさが決定されている。

入口ダクト０６の大きさについては、入口ダクト０６の流路断面積が同一の場合、図１０に示す構成に比べて、図１４に示すように、水平方向の幅０６ａを広くすることで、高さ０６ｂを低くすることができる。入口ダクト０６の高さ０６ｂを低くすることができれば、吸収塔０２の全体の高さも低くすることができると共に、循環ポンプ０７の揚程（吸収スラリを揚げる距離）を下げることができ、循環ポンプ０７の動作に必要な動力を下げることができる。
そのため、入口ダクト０６の断面積を変化させずに、入口ダクト０６の高さ０６ｂを下げる方法として、入口ダクト０６の幅０６ａを吸収塔０２の径０２ａと同等の大きさとした構成が考案されている。

このような湿式石灰石石膏法の吸収塔構造として、特許文献１（特開昭５５−７３３１９号公報）に記載の脱硫システムが知られている。
特許文献１では、吸収塔に排ガスを導入する入口ダクトを吸収塔塔径と同等まで水平方向に拡大することで吸収塔内のガス流速の偏流を抑制できるとしている。
また，特許文献２（特開平９−４７６３１号公報）においても、特許文献１と同様に入口ダクトの偏平率と吸収塔の塔径と入口ダクト幅との割合を規定することで、入口ダクト幅を広げ、入口高さを低くすることで吸収塔内のガス流速の偏流を抑制でき、吸収塔高さを低くできるとしている。
一方、特許文献３（特許第５７２５７２５号公報）では吸収塔の内周端部にガス吹き抜け防止部材を周方向に沿って不連続に設けることで、吸収塔の内壁近傍を未反応ガスがすり抜けることを防止できるとしている。

特開昭５５−７３３１９号公報 特開平９−４７６３１号公報 特許第５７２５７２５号公報

図１７は吸収スラリのスプレ密度の説明図であり、図９に対応する側面図である。
図１８は吸収スラリのスプレ密度の説明図であり、図１１に対応する断面図である。
図１７において、吸収塔０２で複数のノズル０４からスプレされる吸収スラリは、吸収塔０２内を落下すると共に、水平方向に広がる。したがって、水平方向に並んだ複数のノズル０４からスプレされた吸収スラリは、図１７、図１８に示すように、円筒状の吸収塔０２の中心部ほど密度が高く、吸収塔０２の外縁部にいくにつれて密度が低くなる。

ここで、図１３〜図１６に示す従来構成では、入口ダクト０６の幅０６ａが吸収塔０２の径０２ａと同等に設定されているので、図１６に示すように、吸収塔０２の外縁部にも排ガスが流れ込む。一方、図９〜図１２に示す従来構成では、図１２に示すように、吸収塔０２の中央部に向けてガスが流れやすく、外縁部に向かうガスの流れは、図１３〜図１６に示す従来構成に比べれば、少なくなる。したがって、入口ダクト０６の幅０６ａを広くした構成では、吸収スラリの密度が低い外縁部に排ガスが流れやすい。吸収スラリの密度が低い吸収塔０２の外縁部では、硫黄酸化物の吸収性能（以下、脱硫性能）が悪いため、入口ダクト０６の幅０６ａを広げることで、脱硫性能が悪化する懸念があった。

特許文献１，２記載の構成では、吸収塔内の吸収液スプレの液密度が外周部ほど低くなっている点について考慮されておらず、スプレ液密度が低い吸収塔円周部壁面に排ガスが多く導入されるため、排ガスの吹き抜け（脱硫が不十分な状態で排ガスが吸収塔を上方に通過してしまう現象）が起こりやすく、脱硫性能が低下する恐れがあった。
また、特許文献３記載の構成のように，吸収塔壁面にガス吹き抜け防止部材を設置し、ガスの吹き抜けを防止する方法では、スプレ部の圧力損失が増加し、消費動力が大きくなる問題があった。

さらに、脱硫性能低下の問題を考慮し、入口ダクト０６の幅０６ａを狭くした場合には、入口ダクト０６の高さ０６ｂが高くなる。吸収塔０２では、入口ダクト０６の近傍は吸収スラリにより乾湿を繰り返すため、耐酸性、耐腐食性、耐摩耗性に優れたハステロイ鋼等の高価な材料を使用する必要がある。吸収塔０２の高さが高くなると、高価な材料を使用する範囲が広くなり、吸収塔０２の初期コストが増大する問題がある。また、吸収塔０２の高さが高くなると、循環ポンプ０７の揚程も長くなり、循環ポンプ０７の動力が増加するという問題もあった。

本発明は、脱硫性能を確保しつつ、脱硫システムの吸収塔の初期コスト及びポンプ動力を低減することを技術的課題とする。

前記技術的課題を解決する請求項１に記載の発明は、被処理ガスが流入する入口ダクトと、前記入口ダクトから導入される被処理ガスを吸収液と接触させて、ガス中の硫黄酸化物を除去し、脱硫処理後のガスを排出する吸収塔と、前記被処理ガスの流れ方向の上流側で水平方向の幅が前記吸収塔の径より広く、且つ、下流端が前記吸収塔に接続された前記入口ダクトとを備えたことを特徴とする脱硫システムである。

請求項２に記載の発明は、前記入口ダクトを流れるガスの流れを、前記吸収塔の中心部に向けて偏らせる流れ制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の脱硫システムである。

請求項３に記載の発明は、被処理ガスが流入する入口ダクトと、前記入口ダクトから導入される被処理ガスを吸収液と接触させて、ガス中の硫黄酸化物を除去し脱硫処理後のガスを排出する吸収塔と、前記入口ダクトと前記吸収塔との接続部の近傍に配置され、前記入口ダクトを流れるガスの流れを、前記吸収塔の水平方向外側から中心部に向けて偏らせる流れ制御部とを備えたことを特徴とする脱硫システムである。

請求項４に記載の発明は、前記入口ダクトの水平方向の幅を、前記吸収塔の径と同等以上とし、前記入口ダクトを流れるガスの流れを、前記吸収塔の水平方向外側から中心部に向けて偏らせる流れ制御部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の脱硫システムである。

請求項５に記載の発明は、前記入口ダクトの内壁側に配置された整流板により構成された前記流れ制御部を備えたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の脱硫システムである。

請求項６に記載の発明は、前記整流板によってガスおよび吸収液に接触しない前記入口ダクト部分の材質が、前記整流板の材質とは異なることを特徴とする請求項５に記載の脱硫システムである。

請求項７に記載の発明は、前記吸収塔の中央に向けて傾斜する内壁形状を有する前記入口ダクトの下流部により構成された前記流れ制御部を備えたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の脱硫システムである。

請求項８に記載の発明は、前記入口ダクトの水平方向の幅を前記吸収塔の径と同等以上にし、且つ、前記流れ制御部で縮小される前の入口ダクトの幅と前記流れ制御部で縮小された後の入口ダクトの幅との長さの比率を、０．９５以下とし、且つ、前記入口ダクトを縮小させる流れ制御部の角度を４５度以下としたことを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の脱硫システムである。

請求項１記載の発明によれば、入口ダクトの水平方向の幅を吸収塔の径より広くし、吸収塔に接続することで、吸収塔の高さを低くすることができ、さらにガス流れも吸収塔の中央側に流れることとなり、脱硫システムの脱硫性能を確保できる。よって、脱硫性能を確保しつつ、脱硫システムの吸収塔の初期コスト及びポンプ動力を低減することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、流れ制御部が入口ダクトを流れるガスの流れを吸収塔の中心部に向けて偏らせることで、入口ダクトの水平方向の幅を広げても、吸収塔内で吸収液の密度が高い領域にガスを送ることができる。

請求項３記載の発明によれば、流れ制御部が入口ダクトを流れるガスの流れを吸収塔の水平方向外側から中心部に向けて偏らせることで、入口ダクトの水平方向の幅を広げても、吸収塔内で吸収液の密度が高い領域にガスを送ることができる。したがって、ガスを吸収塔の水平方向外側から中心部に向けて偏らせない従来の構成に比べて、ガスの脱硫が十分に行われやすく、脱硫システムの脱硫性能を確保できる。また、入口ダクトの水平方向の幅を広げることができるので、入口ダクトの高さを短くすることができ、吸収塔の高さを低くすることができる。よって、吸収塔のコストを削減することができるとともに、吸収液の揚程を短くすることができ、必要な動力を低減することができる。

請求項４記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加えて、入口ダクトの水平方向の幅を吸収塔の径と同等未満の場合に比べて、吸収塔のコストを削減でき、吸収液を汲み上げる動力も低減することができる。
請求項５記載の発明によれば、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、整流板を使用することで、入口ダクトの構造の複雑化や強度問題の発生を防止できる。
請求項６記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の効果に加えて、整流板によってガスおよび吸収液に接触しない入口ダクト部分の材質を低コストの材質とすることができ、コストを削減できる。

請求項７記載の発明によれば、請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の発明の効果に加えて、入口ダクトの形状でガスの流れを制御することで、部品点数の増加を防止できる。
請求項８記載の発明によれば、請求項５ないし請求項７のいずれかに記載の発明の効果に加えて、吸収塔の高さを削減できるとともに、圧力損失と壁面流速と平均流速との差も抑えることができ、渦の発生による圧力損失の増加や吸収液の付着も抑えることができる。

図１は本発明の脱硫システムの一実施例の概略説明図である。 図２は図１の矢印ＩＩ方向から見た図（正面図）である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図４は実施例１の脱硫システムにおけるガスの流れの説明図である。 図５は実施例１の脱硫システムにおいて整流板による絞り比と流速差や圧力損失との関係を示すグラフである。 図６は本発明の変更例１の説明図である。 図７は本発明の変更例２の説明図である。 図８は本発明の変更例３の説明図である。 図９は従来の脱硫システムの説明図（側面図）である。 図１０は図９の矢印Ｘ方向から見た図（正面図）である。 図１１は図１０のＸＩ−ＸＩ線断面図である。 図１２は図１１における排ガスの流れの説明図である。 図１３は従来の脱硫システムの説明図であり、図９とは入口ダクトの高さが異なる脱硫システムの説明図である。 図１４は図１３の矢印ＸＩＶ方向から見た図（正面図）である。 図１５は図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。 図１６は図１５における排ガスの流れの説明図である。 図１７は吸収スラリのスプレ密度の説明図であり、図９に対応する側面図である。 図１８は吸収スラリのスプレ密度の説明図であり、図１１に対応する断面図である。

以下に、本発明の実施の形態を示す。

図１は本発明の脱硫システムの一実施例の概略説明図である。
図１において、本発明の脱硫システム１は、吸収塔２を有する。吸収塔２は、内部が上下方向に延びる円筒状に形成されている。吸収塔２の下部には、吸収スラリ（吸収液）が収容される吸収スラリタンク３が配置されている。
吸収塔２の上部には、吸収スラリをスプレするノズル４が複数配置されている。ノズル４は、水平方向に間隔をあけて複数、また図示していないが複数段配置されている。ノズル４には、循環ポンプ７により、吸収スラリタンク３から吸収スラリが汲み上げられて供給される。なお、ノズル４の数や位置、数等の構成に関しては、従来公知の種々の構成を採用可能であり、例えば、特許第５７２５７２５号公報（特許文献３）等に記載されているため、図示や詳細な説明は省略する。

図２は図１の矢印ＩＩ方向から見た図（正面図）である。
図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
図４は実施例１の脱硫システムにおけるガスの流れの説明図である。
図１〜図３において、吸収スラリタンク３の上方且つノズル４の下方には、排ガス（被処理ガス）を吸収塔２に導入する入口ダクト６が接続されている。実施例１の入口ダクト６は、水平方向の幅６ａが、吸収塔２の内径２ａと同等の長さに形成されている。したがって、水平方向の幅６ａが吸収塔２の内径２ａよりも小さい場合（図９〜図１２の場合）に比べて、入口ダクト６の高さ６ｂは短く設定されている。

実施例１の脱硫システム１では、入口ダクト６と吸収塔２との接続部の近傍には、流れ制御部の一例としての整流板１１が幅方向に間隔をあけて一対配置されている。すなわち、整流板１１は、ガスの流れ方向に対して、入口ダクト６の下流端部に配置されている。図４に示すように、実施例１の整流板１１は、入口ダクト６から吸収塔２に流入するガスを、水平方向の内側（吸収塔２の中心部２ｃ側）に向けて偏らせるように形状および位置が設定されている。したがって、一対の整流板１１の内端１１ａどうしの水平方向の距離１１ｂは、入口ダクト６の幅６ａよりも短く設定されている。

また、実施例１では、整流板１１の上流端１１ｃは、吸収塔２の上流端２ｂよりも下流側に配置されている。したがって、実施例１のガスの流路は、整流部材１１により、吸収塔２の入口（上流端２ｂ）よりも内側で絞られている。

前記構成を備えた実施例１の脱硫システム１では、排ガスが吸収塔２に流入する際に、排ガスが吸収塔２の水平方向外側から中心部２ｃに向けて偏向される。よって、吸収塔２においてスプレされる吸収スラリの密度が低い領域（図４、図１７、図１８参照）に排ガスが流れにくくなる。したがって、入口ダクト６の幅６ａを広げても、排ガスが、脱硫が不十分な状態で吸収塔２を通過することが低減され、脱硫性能が確保される。そして、入口ダクト６の幅６ａを広げることで、入口ダクト６の高さ６ｂを短くすることができ、吸収塔２の全体の高さや、循環ポンプ７の揚程も短くすることができる。したがって、脱硫システム１の小型化や吸収塔２のコスト削減が可能であるとともに、循環ポンプ７の動力を低減することも可能である。特に、入口ダクト６の幅６ａを広げるほど高さ６ｂを下げることができるため、入口ダクト６の幅６ａは、吸収塔２の径２ａと同等以上とすることが好ましい。

図５は実施例１の脱硫システムにおいて整流板による絞り比と流速差や圧力損失との関係を示すグラフである。
図５において、整流板１１で絞る前の幅（６ａ）と、絞った後の幅（１１ｂ）との比率（１１ｂ／６ａ）（以下、絞り比）と圧力損失、吸収塔２内の側壁ガス流速と平均流速との差の関係を確認した。絞り比が小さくなると（整流板１１の内端１１ａの幅１１ｂが短くなると）、側壁ガス流速と平均流速との差がほとんど変わらないのに対して、圧力損失が大きくなっている。したがって、図５のグラフでは、絞り比が０．７を下回ると、それ以上幅１１ｂを短くしても、圧力損失が増えるだけで、脱硫性能としてはほとんど変わらなくなる。

一方、図５において、絞り比が０．９５を上回ると、側壁ガス流速と平均流速との差が急激に大きくなる。したがって、吸収スラリの密度が低い領域にガスが流れ込みやすくなって、排ガス中のＳＯ_２吸収に偏りが生じる恐れがある。
したがって、本構成を採用する際には、絞り比を０．９５以下とすることが好ましく、より好適には絞り比を０．７〜０．９５の範囲とすることが好ましい。

さらに、入口ダクト６の幅６ａを整流板１１で急角度で縮小させると、内端１１ａよりも下流側で渦が発生しやすくなる。渦が発生すると、圧力損失が増加したり、吸収スラリが付着する等の問題が発生する。したがって、幅６ａを縮小させる整流板１１の角度θは、渦が発生しにくい低角度とすることが望ましい。特に、入口ダクト６の上流側の壁面に対する整流板１１の上流部の内面との傾斜角度θを、４５度以下とすることが好ましい。
また、実施例１のガスの流路は、整流板１１により、吸収塔２の入口（上流端２ｂ）よりも内側で絞られているので、整流板１１でガスが水平方向外側から中心部２ｃに向けて偏る（絞られる）際には、ガスの一部が吸収塔２に沿って上下方向に移動可能な状態となっている。したがって、整流板１１でガス流路が絞られる際に、ガスの一部が上下方向に抜けることで、ガスの流速が過剰に高速になることが抑制される。よって、整流板１１でガスの流れが絞られても、ガスの流速を一定範囲（１０〜１５ｍ／ｓ程度）に保つことが可能である。

図６は本発明の変更例１の説明図である。
図６において、実施例１の脱硫システム１において、整流板１１に変えて、入口ダクト６の下流端部６ｄ（流れ制御部の一例）の形状を、ガス流路が縮小するように構成することも可能である。図６のように構成することで、部品点数を削減することが可能であるが、入口ダクト６の構造が複雑化し、強度を確保する必要がある点に気を付ける必要がある。
図６に示す変更例１の構成でも、実施例１と同様に、脱硫性能を確保しつつコストや動力を削減することができる。

図７は本発明の変更例２の説明図である。
図７において、実施例１の脱硫システム１において、整流板１１を設置することで、入口ダクト６には、排ガスやスプレされる吸収スラリに接触しない領域６ｅが発生する。従来の入口ダクト６では、排ガスや吸収スラリに接触するため、耐酸性、耐腐食性、耐摩耗性の材料を使用する必要があったが、整流板１１が設置される領域６ｃについては、材料を廉価な材料を使用することも可能である。
このように構成することで、脱硫システム１のコストをさらに削減することが可能である。

図８は本発明の変更例３の説明図である。図８において、入口ダクト６の水平方向の幅６ａは、吸収塔の径２ａより広く設定している。そして、入口ダクト６の下流端部では入口ダクト６の幅が、吸収塔２の径２ａに縮小して、入口ダクト６が吸収塔２に接続されるように構成されている。この場合でも、吸収塔２との接続部でガス流れを吸収塔２の水平方向外側から中心部２ｃに向かうように整流板１１を介して接続することで、吸収塔２の脱硫性能を確保することができる。

（その他の変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ０１）〜（Ｈ０５）を下記に例示する。
（Ｈ０１）前記実施例において、例示した具体的な数値は、設計や仕様等に応じて適宜変更可能である。
（Ｈ０２）前記実施例において、流れ制御部の形状は、略三角形状（楔状）の整流板１１や下流端部６ｄを例示したが、これに限定されない。整流板１１等の形状は、曲線あるいは台形状等、制御したいガスの流れの向きや方向等に応じて、任意の形状に変更可能である。また、整流板１１を幅方向の両側に一対設ける構成を例示したが、これに限定されず、吸収塔２の水平方向外側から中心部２ｃに向けて流れを偏らせることが可能であれば、１つまたは３つ以上設置する構成とすることも可能である。

（Ｈ０３）前記実施例において、整流板１１の上流端１１ｃの位置は、吸収塔２の上流端２ｂよりも下流側に配置することが望ましいがこれに限定されない。例えば、内端１１ａが上流端２ｂよりも下流側であれば、整流板１１の上流端１１ｃは、上流端２ｂより、同一または上流側に配置することも可能である。
（Ｈ０４）前記実施例において、整流板１１の内端１１ａの位置は、吸収塔の最外周位置（図７の１１ｄ）より上流側に配置することが望ましいが、これに限定されない。例えば、図８に示すように入口ダクトの幅６ａを吸収塔の内径２ａよりも大きくする場合は、整流板１１の内端１１ａの位置を吸収塔の最外周位置に配置することも可能である。
（Ｈ０５）前記実施例において、整流板１１の材質は、耐酸性、耐腐食性、耐摩耗性に優れたハステロイ鋼等が望ましいが、上記の性能に準ずる他の合金鋼やライニングおよび塗布材料を使用することも可能である。

１…脱硫システム、
２…吸収塔、
２ａ…吸収塔の径、
２ｃ…吸収塔の中心部、
６…入口ダクト、
６ａ…入口ダクトの水平方向の幅、
６ｄ…内壁形状、
６ｅ…ガスおよび吸収液に接触しない入口ダクト部分、
１１…整流板、
１１，６ｄ…流れ制御部、
１１ｂ…流れ制御部で縮小された後の入口ダクトの幅、
１１ｂ／６ａ…比率、
θ…流れ制御部の角度。

Claims (8)

1. 被処理ガスが流入する入口ダクトと、
   前記入口ダクトから導入される被処理ガスを吸収液と接触させて、ガス中の硫黄酸化物を除去し、脱硫処理後のガスを排出する吸収塔と、
   前記被処理ガスの流れ方向の上流側で水平方向の幅が前記吸収塔の径より広く、且つ、下流端が前記吸収塔に接続された前記入口ダクトと、
   を備えたことを特徴とする脱硫システム。
2. 前記入口ダクトを流れるガスの流れを、前記吸収塔の中心部に向けて偏らせる流れ制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の脱硫システム。
3. 被処理ガスが流入する入口ダクトと、
   前記入口ダクトから導入される被処理ガスを吸収液と接触させて、ガス中の硫黄酸化物を除去し脱硫処理後のガスを排出する吸収塔と、
   前記入口ダクトと前記吸収塔との接続部の近傍に配置され、前記入口ダクトを流れるガスの流れを、前記吸収塔の水平方向外側から中心部に向けて偏らせる流れ制御部と、
   を備えたことを特徴とする脱硫システム。
4. 前記入口ダクトの水平方向の幅を、前記吸収塔の径と同等以上とし、前記入口ダクトを流れるガスの流れを、前記吸収塔の水平方向外側から中心部に向けて偏らせる流れ制御部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の脱硫システム。
5. 前記入口ダクトの内壁側に配置された整流板により構成された前記流れ制御部、
   を備えたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の脱硫システム。
6. 前記整流板によってガスおよび吸収液に接触しない前記入口ダクト部分の材質が、前記整流板の材質とは異なる
   ことを特徴とする請求項５に記載の脱硫システム。
7. 前記吸収塔の中央に向けて傾斜する内壁形状を有する前記入口ダクトの下流部により構成された前記流れ制御部、
   を備えたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の脱硫システム。
8. 前記入口ダクトの水平方向の幅を前記吸収塔の径と同等以上にし、且つ、
   前記流れ制御部で縮小される前の入口ダクトの幅と前記流れ制御部で縮小された後の入口ダクトの幅との長さの比率を、０．９５以下とし、且つ、
   前記入口ダクトを縮小させる流れ制御部の角度を４５度以下とした
   ことを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の脱硫システム。

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