大型火电站低NOx煤粉炉新型燃烧器应用综述.pdf

第 3 1卷 第 1 2期 2 0 0 9年 1 2月 华 电技 术 Hu a d i a n T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 1 No ． 1 2 De c ． 20 0 9 大型火 电站低 N O 煤 粉炉 新型燃 烧器应用综述 张磊 ， 魏 书印 山东省电力学校， 山东 泰安2 7 1 0 0 0 摘要 目前我国电站锅炉的 N O 排放均明显超标， 因此 ， 对电站锅炉进行低 N O 煤粉燃烧技术改造是十分必要的。论 述了低 N O 煤粉燃烧器的原理， 分析了5种燃烧器的技术特征， 给出了新型燃烧技术在火电站的应用实例。最后指出， 低 N 0 煤粉炉新型燃烧器技术具有低负荷稳燃 、 防结渣、 防高温腐蚀和降低 N 0 排放的综合效果。 关键词 火电站； 新型燃烧器； 低负荷稳燃； N O 排放 中图分类号 T K 2 2 7 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 0 9 1 2 0 0 1 50 4 0 引言 近年来 ， 能源利用造成的环境污染越来越严重 ， 其中矿物燃料的燃烧所排放 出来的氮氧化物 N O 已成为环境污染的一个重要方面。 N O 是 N 2 0， N O， N O 2 ， N 2 0 3 ， N 2 0 4和 N 2 0 5 的总 称。我国能源以煤为主 ， 燃煤所产生的大气污染物 占污染物排放总量的比例较大， 其中 N O 占6 7 ％。 有关资料表明， 电站锅炉的 N O 排放量 占各种燃烧 装置 N O 排放量总和的一半 以上 ， 且 8 0 ％是煤粉锅 炉排放的。G B 1 3 2 2 3 --2 0 0 3 火 电厂大气污染物排 放标准 中对于第 3时段燃煤 电厂执行 的排放质量 浓度限值为 当 V 2 0 ％ 时 ， N O 排放质量浓度 限值 为 4 5 0 m g ／ m 。据调查 ， 我 国燃 煤电站固、 液态排渣煤粉炉 N O 排放质量浓度范围 分别为 6 0 0～1 2 0 0 mg ／ m 和 8 5 0～1 1 5 0 mg ／ m 。因 此 ， 降低 N O 排放的任务非常紧迫 。 1 低 N O 煤粉燃烧 器的基本原理及特点 1 ． 1 基本原理 煤粉燃烧过程中影响 N O 生成的主要因素有 1 煤种特性 ， 如煤 的含氮量 、 挥 发分含量 、 燃 料中的固定碳／ 挥发分 之 比以及挥发分 中含 H量 、 含 N量之 比等 ； 2 燃烧区域 的温度峰值 ； 3 反 应 区 中氧 、 氮 、 一 氧 化 氮 和 烃 根 等 的 含量 ； 4 可燃物在反应 区中的停 留时间。 由此对应的低 N O 燃烧技术的主要途径有如 收稿 日期 2 0 0 9一叭 一 o 4 - F 4个 方 面 1 减少燃 料周 围的氧浓度 ， 包括减少炉 内过 量空气 系数 ， 以减少炉内空气总量 ； 减少一次风量和 减少挥发分燃尽前燃料与二次风的混合 ， 以减少着 火区的氧浓度。 2 在氧浓度较少 的条件下 ， 维持足够 的停 留 时间 ， 使燃料 中的氮不 易生成 N O ， 而且使 生成 的 N O 经过均相或多相反应而被还原分解。 3 在过量空气 的条件下 ， 降低温度峰值 ， 以减 少热力型 N O 的生成 ， 如采用降低热风温度和烟气 在循环等。 4 加 入还 原 剂 ， 使 还 原剂 生 成 C O， N H 和 HC N， 它们可将 N O 还原分解。具体 的方法有燃料 分级燃烧、 空气分级燃烧、 烟气再循环、 低 N O 燃烧 器 、 低氧燃烧 、 浓淡偏差燃烧等。 按照 N O 产生的机理 ， 燃煤锅炉排放 的 N O 主 要来 自于 3个方面 燃料型 N O 、 热力型 N O 和即时 型 N O 。对于某一特定的燃煤 锅炉而言 ， N O 的实 际排放量与煤种 、 煤的燃烧方式 和煤燃烧过程的具 体技术参 数密 切相关 ， 固态排 渣煤 粉锅 炉排 放 的 N O 主要 来 源是 燃料 型 N O ， 其 数量 通 常 占锅炉 N O 排放总量 的 9 0 ％以上。热力型 N O 是燃料 中 的氮在高温下与氧气发生化学反应生成 的产物 ， 对 于一定煤种 ， 其生成量 主要取决于煤粉燃 烧时的温 度和氧量 ， 温度和氧量 越高 ， N O 的生成 量也就越 大。对于此类锅炉 ， 若能够设法破坏 N O 的生成条 件 ， 或者设法将 已经生成的 N O “ 破坏” 掉， 就可达到 降低 N O 之目的， 这就是低 N O 燃烧器的设计思想。 目前 ， 固态排 渣煤粉 锅炉低 N O 燃烧 器国 内、 外已有 1 0多年的研究和应用历史， 积累了大量经 验 ， 技术 已基本成熟 ， 应在实 际应用 中不 断加 以完 善。具体实用技术包括空气 分级燃烧技术 、 燃料分 级燃烧技术 、 烟气再循环技术等。 1 6 华 电技 术 第 3 1 卷 早期低 N O 燃烧器 的技术特征为直流和旋流 相结合 ， 直流一次风； 空气分级燃烧 ， 两级旋流二次 风； 低温、 低氧， 飞灰含碳量增加 。 典型的早期低 N O 燃烧器有 德国斯坦谬勒 S t e i n m u l l e r 公司 S M型低 N O 燃烧器 、 美 国 巴威 公司低 N O ， 燃烧器。 中期低 N O 燃烧器技术特征是采用 了煤粉浓 淡技术。径向浓淡低 N O 燃烧器特点是一次风直 流进风 ， 设置浓淡分离装置 百叶窗 ， 使得一次风 内浓外淡 。 新型低 N O 燃烧器技术特征为 浓淡技术与 回 流技术相结合 ， 协调 降低 N O 和煤粉燃 尽 的矛盾 高温、 低氧， 快速弥散 ； 设有火焰稳定环。 1 ． 2 不同类型低 N O 煤粉燃烧器的技术特点 1 巴布科克 一日立公司 H TN R型低 N O 燃 烧器 如 图 1所示 。该燃烧器 为改进型 为 降低 N O 和飞灰含碳量 ； 一次风为直流进风 ， 内设旋转 叶片； 喷口处有陶瓷火焰稳定环。 油 图 1 巴布科克 一日立公司 H TN R型低 N O 燃烧器 2 巴布科克 一威尔科克斯公司 X C L型低 N O 燃烧器 如图 2所示 。该燃烧 器的一次风为直流 进风， 内设锥形扩压器 ； 喷 口处有火焰稳定环。 图2 巴布科克 一 威尔科克斯公司 X C L型低 N O x 燃烧器 3 德国巴威公司 D S型低 N O 燃烧器 如图 3 所示 。该燃烧器为双调风空气分级 ； 一次风 为旋 流 旋流叶片 ， 有火焰稳定环 ； 内、 外二次风由蜗壳 进入， 内设 固定和可调 的旋流叶片。 4 美 国 F o s t e r Wh e e l e r 公司 c F ／ s F型低 N O 燃烧器 如图4所示 。该燃烧器为可控气流 ， 火焰 油 区 图 3 德 国巴威公 司 D S型低 N O 燃烧 器 分离 ； 可调内套筒， 调速及旋转强度 ， 一次风分 为 4 股 ； 实际 N O 排放可降低 5 0 ％以上。 圈 4美 国 F o s t e r Wh e e l e r 公 司 C F ／ S F型 低 N O 燃烧器 5 美国 R i l e y S t o k e r 公司 C C V型低 N O 燃烧 器 如图 5所示 。该燃烧器为可控燃烧文丘里燃 烧器 ； 双调二次风 ； 实际 N O 排放可降低 5 0 ％以上。 外 水 冷 图 5 美国 R i l e y S t o k e r 公司 C C V型低 N O 燃烧器 2 我国 电站新型燃烧器应用实例 2 ． 1 “ W” 形火焰锅炉 “ W” 形火焰 固态排渣炉为 F w公 司首创。这种 燃烧方式适用于燃烧无烟煤和贫煤的电厂 ， 当燃用 V 为 1 0 ％ ～1 3 ％ 的低挥发分煤时 ， 采用 “ w” 形火 焰燃烧方式 的锅炉与常见 的切 圆燃烧方 式锅炉相 比， 燃烧效率可提高 2 ％ ～ 3 ％。近年来 ， “ w” 形火 焰燃烧方式在我国得到了广泛应用。 第 1 2期 张磊 ， 等 大型火电站低 N O 煤粉 炉新型燃烧器应用综述 l 7 “ w” 形 火焰锅炉炉膛 由下部 的拱式 炉膛和上 部 的辐射炉膛组成 ， 前后突出的炉顶构成炉顶拱 ， 煤 粉喷嘴及二次风喷嘴装在炉顶拱上并 向下喷射 ， 在 炉顶拱下区域的水冷壁敷设卫燃带 ， 使着火 区域形 成高温， 以利于着火 。当煤粉气流向下流动扩展时 ， 在炉膛下部与三次风相遇后经 1 8 0 。 转弯再 向上 流 动 ， 形成“ w” 形火焰 ， 燃烧生成 的烟气进入辐 射炉 膛。炉膛及燃烧系统原理如图 6所示。 旋风分离器 主煤 粉喷 E l 乏气喷 E l 启动油枪 原部分卫燃 带 风 寻 旋风 分离器 二次风箱 防结渣贴避风 ] _ _ i _ J ■ 热 l 风道 炉底注入热风 图 6“ W” 形火焰锅炉燃烧 系统原 理 “ w” 形火焰锅炉具有 以下技术特点 1 延长了煤粉颗粒在炉膛 内停 留的时间 ， 尤 其是较大的煤粉颗粒停留时间能达到 3～ 4 S 。 2 煤粉气 流 向下喷射 ， 可降低煤粉气流 的速 度或采用煤粉预热技术 ， 易于实现煤粉的高浓度燃 烧并提高燃烧 的稳定性 。煤粉 自上而下进入炉膛 ， 一 次风率可降至 5 ％ ～1 5 ％ ， 风速可 以低至 1 5 m ／ s ， 便于采用直流式燃烧器 ， 空气可 以沿火焰行程逐步 加入 ， 以达到分级配风之 目的。 3 炉膛的拱式可 以聚集辐 射热量 ， 提供充 足 的着火热 。 4 火焰流 向与炉 内水冷壁 平行 ， 没有 烟气 冲 刷炉墙现象 ， 不易结渣 。 5 一次风煤 粉气 流下行后转 1 8 0 。 再 向上 流 动 ， 可以分离火焰 中的部分飞灰 。 6 煤粉燃烧过程 主要在 炉膛下部完成 ， 而炉 膛上部主要用来冷却烟气 ， 因此 ， 炉膛 的高度主要 由 炉膛 出口烟气温度决定 。这样 ， 可以使上 、 下炉膛的 横截面布置都 比较灵活。 7 炉膛周界增大 ， 可布置较多 的水冷壁 ， 增大 循环流量减少管内的质量含汽率 ， 更适合采用 自然 循环方式 。 8 其缺点是 ， 为保 证低负荷运行 时稳定 着火 及强 化燃 烧 ， 必 须 敷设 大 量卫 燃 带 ， 面 积 一般 达 5 0 0～ 7 3 0 m 。卫燃带表面 比较 粗糙 ， 很容 易结 渣 、 挂渣 ， 使该部位的水冷壁吸热量几乎为零 ， 即利用系 数接近于零 ， 从而导致蒸发速度慢 、 蒸汽超温、 燃烧调 节受限制、 启动和变负荷速度慢等问题 ， 甚至发生严 重结渣、 掉渣 、 锅炉灭火或砸坏受热面的恶性事故 。 山东聊城发电厂 6 0 0 Mw 机组首次采用主导火 焰技术使锅炉保持稳定经济燃烧 ， 取得 了良好效果。 2 ． 2 哈尔滨锅炉厂超超临界锅炉低氦燃烧技术 哈尔滨锅炉厂为玉环 电厂提供 的 1 0 0 0 MW 超 超 临界锅炉采用三菱 P M型燃烧器 。P M 型燃烧 器 如图 7所示 采用先进 的 MA C T燃烧技术 ， 该技术 核心是控制主燃烧 区的燃料与空气 比为 0 ． 8～ 0 ． 9 ， 在 主燃烧器上方设置 O F A供风 ， 使主燃烧区产生的 碳氢化合物被活化 ， 并在 O F A的上部 留有足够的空 间 ， 使主燃烧 区生成的 N O 到达 O F A区时因缺氧而 被还原成 N ， 。在主燃烧器的上二次风 O F A喷口上 部再设置 1 层附加空气 A A， 还原区的未燃尽物进入 燃尽区后与 A A供风混合并被充分燃烧。炉 内脱氮 原理如图 8所示。 浓相 粉火 N 图 7 超超临界锅炉 P M 型燃烧器 磨煤分离器 图 8 MAC T配 风 和 脱 氦 原 理 特别值得 注意的是， 在大型超临界锅炉上 ， P M 直流燃烧器的布置采用 了 2个相对独立的反向切圆 燃烧方式 ， 将对流热偏差 与整体单一火焰辐射系统 的辐射热偏差相互抵消 ， 使热偏差大大降低 ， 成为 N 形布置的超大容量切圆燃烧锅炉解决烟温偏差的最 佳途径 ， 采用这种燃烧方 式可使炉膛 四周水冷壁出 口工质温度的偏差值控制在 4 0℃以下。 ■●●● ● 2 ∞ ● ■ ． ● ● O N N № 燃 N 1 8 华 电技 术 第 3 1卷 2 ． 3日立公司 B H K 的 H TN R燃烧器 东方锅炉公司与 巴布科克 一日立公司合作制造 的6 0 0 MW 超临界锅炉和 1 0 0 0 MW 超超临界锅炉采 用 日立技术的 N R燃烧器。N R燃烧器供风分为 3 个区域 ， 煤粉由一次风送入 ， 助燃风由内二次风和外 二次风 或称三次风 供给 ， 如图 9所示。 ．挥发分燃烧区；②． 还原区；⑨ NO 分解 区 ④ ． 炭燃尽区 图 9 超超临界锅炉的 N R燃烧器 N R燃烧器 由环形稳焰器、 煤粉浓缩器 、 外周空 气导管 、 调风器等组成。环形稳焰器的齿形环用陶 瓷制作 ， 稳焰环的内侧形成一次空气旋流 ， 促进卷吸 高温烟气使煤粉颗粒迅速着火。煤粉气流通过煤粉 浓缩器时， 获得周 向运动的速度分量 ， 大部分煤粉靠 近环形稳焰器周 围， 从而提高 了稳焰环附近 的煤粉 浓度， 增强 了稳燃能力 ， 适应于低负荷稳定燃烧。外 周的空气导管用于控制最外周的三次风的混合 ， 加 强火焰内脱氮效果。调风器 由旋流叶片组成 ， 二次 风通过旋流叶片促进火焰外周的三次风和内部高温 还原火焰间的混合 ， 以提高燃烧效率 。 H TN R燃烧器燃烧技术特点如下。 1 防止结渣。除 了合理选定 炉膛 尺寸 、 炉膛 容积热负荷 、 炉膛断面热负荷以及炉膛燃尽高度外 ， 考虑到设计煤种及校核煤种的特点 ， 为确保炉膛不 结渣 ， 燃烧器还采取了以下措施 采用了合适的燃烧 器出力 4 8台较小功率的燃烧器 ， 合适的燃烧器风 速 ； 采用 了合适的燃烧器间距 、 燃烧器与侧水冷壁间 距 ； 燃烧器前 、 后墙对称布置在炉膛的合理位置 ； 布 置了适当数量的吹灰器。 2 低负荷稳燃。为到达锅炉最低不投油稳燃 负荷3 0 ％ B M C R的要求， 燃烧器主要采取了如下措 施 采用了浓缩煤粉燃烧技术 ； 采用了陶瓷稳燃环 ， 可促进快速点火和提高火焰温度 ； 通过调节导轴和 旋流器控制高旋的三次风和火焰 的适 时混合 ； 较高 的煤粉细度 ， R 帅2 1 ％ 。 3 提高燃烧效率。实现着火稳定和高燃烧效 率的关键 问题在于高的火焰温度 、 高 的煤粉浓度和 较细的煤粉粒度。为达到高 的燃烧效率 ， 燃烧器采 取了如下措施 采用浓缩煤粉燃烧技术 ， 高的煤粉浓 度导致较高的燃烧效率 ； 稳燃环促使形成负压区， 热 烟气的回流促进 了煤粉的着火 ， 增加 了燃烧器喷 口 附近的燃烧效率 ； 三次风的高旋流促进了火焰和外 侧风的混合， 可以获得高的燃烧效率 ； 上一次风喷口 至屏底有足够的距离 ， 有足够的燃烧空间 ； 合适的煤 粉细度 R ∞2 1 ％； 燃尽风具有 内直流外旋流特性 ， 使沿深度和宽度方向的氧量分布均匀 ； 燃尽风具有 独特的布置方式 ， 布置范围覆盖了燃烧器的范围， 有 效地制止了煤粒的逃逸 ， 降低 了飞灰可燃物含量。 4 降低 N O 排放 。为达到锅炉 N O 排放质量 浓度小于 3 0 0m g ／ r n 的要求 ， 燃烧器采取了如下措 施 在H TN R燃烧器 中应用 了 N O 的焰 内还原技 术 ， 充分利用旋流燃烧器能够单独控制火焰结构 的 优点； 采用了浓缩煤粉燃烧技术 ； 设置燃 尽风风 口， 两级燃烧系统能够获得更低的 N O 排放水平。 3 结束语 近年来 ， 国内外低 N O 燃烧器技术在着眼于在 进一步降低 N O 排放量的同时 ， 协调解决 了以下问 题 解决了分级欠氧燃烧带来的煤粉燃尽问题 ， 降低 了飞灰含碳量 ； 增强 了燃烧 器对煤质和负荷大幅度 变化的适应性 ， 使其既能够在低负荷时保证劣质煤 燃烧稳定 ， 又能够在高负荷 、 燃用优质煤时保证燃烧 器不被烧坏 。其特点如下 1 可调浓淡。通过 调整运行手段 ， 可使运行 最佳化 ， 适应负荷变化 ， 不烧坏喷嘴。 2 浓 淡技 术 与 回流 技术 相 结合 ， 协 调 降低 N O 和煤粉燃尽 的矛盾 高温 、 低氧 、 快速弥散 。 3 设有 火焰稳 定环 。 4 直流外 二次风。二次风分 级 ， 内二次风旋 流， 外二次风直流。直流二次风穿透能力强 ， 及时为 炭粒燃尽提供氧气 ， 有利于降低飞灰含碳量 ， 也有利 于防止高温腐蚀的发生。 ’ 5 改进结构 ， 采用新材料解决磨损问题。 总之， 国内外最新煤粉燃烧技术， 如燃烧器配风 多级化 ， 设置火焰内还原脱氮措施 ， 采用煤粉浓缩技 术和增强着火区的热烟气回流稳定燃烧， 改进燃尽 风的配置， 提高炉内脱氮效果和提高燃烧效率 ， 采用 旋流式燃烧器对冲燃烧或直流式燃烧器反向双切圆 辐射对流互补抵消热偏差的措施等， 在锅炉低氮、 高 效燃烧方面取得了明显效果。 近年来 ， 国内在亚临界机组锅炉的燃烧方面也 取得了明显的技术进步 ， 尤其在燃用复杂多变的混 煤燃烧方面取得了宝贵的经验。为了提高超临界机 组的运行性能和可靠性以及锅炉燃用多种煤质的灵 活性 ， 开发具有 自主知识产权 的燃 下转第5 5页 第 1 2期 谷超 ， 等 耦合 电容器常见故障分析 5 5 1 耦合电容器既无放油 阀， 又无油位指示器 ， 完全是靠上 、 下法兰间的橡皮垫圈密封 ， 随着时间的 推移， 由于材料或工艺上 的原因 ， 出现密封不 良， 引 起渗油。耦合电容器的密封破坏后 ， 内部油会部分 或全部流失 ， 芯子容易进水受潮 ， 当系统 内出现过电 压 ， 易引起这类设备运行中爆炸事故 的发生 。 2 设备本身存在质量 问题 ， 引起渗油。 采取的措施 1 运行人员应加强巡视检查 ， 做到“ 三到位” 即走到位 、 看到位 、 意识到位 ， 及时发现设备 渗油缺 陷 ， 并将其退出运行进行处理 。 2 专业人员通过对设备 的状 态检查和试验 ， 及早发现设备缺陷， 防止设备缺陷扩大造成故障。 1 ． 3实例 3 2 0 0 7年 2月 1 1日， 运行人员发现 2 2 0 k V某线路 耦合电容器下部接地开关的接地线严重锈蚀， 及时汇 报并进行了处理 ， 避免了耦合电容器因失去接地而影 响继电保护运行和变电站正常通信故障的发生。 作者分析认为 该接地线是采用多股铜导线绕 制而成的， 由于环境影响 ， 产生严重锈蚀 。 采取 的措施 将软连接变为硬连接。将多股铜 导线更换为单根截面满足要求的铜导线 。 1 ． 4实例 4 2 0 0 5年 2月至 2 0 0 7年 5月期 间， 发现某 2 2 0 k V 变电站 2 2 0 k V线路有 3台耦合 电容器 的接地开关 绝缘瓷套出现裂纹 ， 其 中 1个绝缘瓷套 因严重裂纹 而脱落 。 作者分析认为 设备质量存在问题 。 采取措施 更换接地开关 ， 运行中加强监视 。 2 注意事项 要及 时对耦合 电容器进行巡 视检查和正确维 1 耦合电容器正常巡视的注意事项 。 1 电容器瓷套部分有无破损或放电痕迹。 2 上 、 下 引线是否牢 固， 接地线是否 良好 ， 接 地开关是否位置正确 。 3 导线有无 断股、 松脱 ， 线夹连接是否 牢 固。 引线及各部分有无放 电响声。 4 有无 漏 、 渗油 现象 。运行 中的耦 合 电容器 应注意检查有无渗 、 漏油 ， 对有渗 、 漏油的设备应退 出运行 ， 进行处理。 ’ 5 结合滤波器检查耦合 电容器有无异常。 2 将耦合 电容器 的上 、 下 2节 的软连接变 为 多股的接地线 ， 将瓷套有裂纹 的接地开关进行更换 ， 以防止同类型故障再次发生 。 3 结 合状 态 检 修 ， 每 年 对 耦 合 电容 器 维护 1 次 。 3 结束语 随着 电网规模的不断扩大 ， 用户对供电可靠性 的要求也越来越高。要及时做好变电站 中耦合 电容 器的检查和维护工作 ， 提高运行可靠性 ， 才能保证系 统的安全稳定运行 。 参考文献 [ 1 ] 张全元． 变电运行现场技术问答[ M] ． 北京 中国电力出 版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 马振 良． 变 电站值 班员[ M] ． 北京 中 国电力 出版社， 2 0 H D 7． 编辑 王书平 作者简介 谷超 1 9 7 1 一 ， 男 ， 河南南阳人， 变电站站长 ， 高级工程 护 ， 及早发现问题 ， 避免故 障发生 。 师， 从事变电站技术管理方面的工作。 ● ●●o●0● ‘◇● ●● ●o●0●● ●o● ●◇● ●- ●0●◇● ●0●●- C ●0● 0● ●o。 ● ● ●● ●0● ● ● 0●● ●● 0● ● ●●o● 上接 第 l 8页 烧技术将成为今后 超临界机组发展 的主要方向。 参考文献 [ 1 ] 周 俊虎 ， 赵玉 晓 ， 刘 建忠 ， 等． 低 N O 煤粉燃 烧器 技术 的 研究进 展与 前景展 望 [ J ] ． 热力 发 电， 2 0 0 5 ， 3 4 8 81 3． [ 2 ] 孔亮， 张毅 ， 丁艳军 ， 等． 电站锅炉燃烧优化控制技术综 述[ J ] ． 电力设备， 2 0 0 6 ， 7 2 1 92 2 ． [ 3 ] 樊泉桂． 超临界和超超临界锅炉煤粉燃烧新技术分析 [ J ] ． 电力设备， 2 0 0 6 ， 7 2 2 3 2 5 ． [ 4 ] 张磊， 郭洪亮． 主导火焰技术在 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