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烧结加湿燃烧对 NOx排放影响的研究 ① 易正明1，2， 覃佳卓1，3， 邓植丹1，3， 刘 强1，2， 杜 东4， 聂 礼4， 张东升4 （1.武汉科技大学 钢铁冶金与资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430081； 2.武汉科技大学 钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室，湖北 武 汉 430081； 3.武汉科技大学 高温材料与炉衬技术国家地方联合工程研究中心，湖北 武汉 430081； 4.水城钢铁集团有限公司，贵州 六盘水 553000） 摘 要 为了减少烧结过程中 NOx排放，研究了燃料工艺参数与烧结加湿燃烧对 NOx排放的影响。 结果表明，烧结烟气中 NOx主 要由燃料带入，燃料氮元素含量决定了烟气中 NOx浓度高低，燃料配比从6％降至4％，NOx浓度平均值从424 mg/ m3降至339 mg/ m3； 燃料中碳元素能促进 NOx还原反应，同时提供更多热量，促进铁酸钙生成，缩短烧结时间。 相对常规烧结，加湿燃烧烧结可以增强料 层还原性气氛，增强 NO 异相还原反应，降低 NOx浓度；并提高燃料完全燃烧程度，加快垂直烧结速度，提升烧结矿成品率与转鼓指数； 在蒸汽流量 0.024 kg/ min 的工况下进行烧结加湿燃烧，NOx浓度平均值从 357 mg/ m3降至 338 mg/ m3，转鼓指数提高约 1 个百分点。 关键词 烧结烟气； 脱硝； 加湿燃烧； 烧结燃料； 氮氧化物 中图分类号 TF046；X701文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.04.021 文章编号 0253-6099（2020）04-0084-04 Influence of Combustion Air Humidification on NOxEmissions During Sintering YI Zheng-ming1，2， QIN Jia-zhuo1，3， DENG Zhi-dan1，3， LIU Qiang1，2， DU Dong4， NIE Li4， ZHANG Dong-sheng4 （1.Key Laboratory of Iron and Steel Metallurgy and Resources Utilization of the Ministry of Education， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， Hubei， China； 2.Hubei Provincial Key Laboratory for New Process of Ironmaking and Steelmaking， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， Hubei， China； 3.National-Provincial Joint Engineering Research Center for High Temperature Materials and Lining Technology， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， Hubei， China； 4.Shuicheng Iron and Steel Group Co Ltd， Liupanshui 553000， Guizhou， China） Abstract In order to reduce NOxemissions during the sintering process， the effects of fuel processing parameters and combustion air humidification during the sintering on NOxemissions were studied. The results show that the NOxin the sintering flue gas is mainly caused by the fuel， and the NOxconcentration in the flue gas is principally dependent on the nitrogen content in the fuel. When the fuel proportioning reduced from 6％ to 4％， the average NOxconcentration can be reduced from 424 mg/ m3to 339 mg/ m3； and the carbon element in the fuel can promote the reduction reaction of NOx， thus providing more heat and promoting the ation of calcium ferrite， resulting in the shortening of the sintering time. Compared with the conventional sintering， sintering with combustion air humidification can enhance the reductive atmosphere of the material bed and the heterogeneous reduction of NO， while reduce the NOxconcentration. Besides， it can improve the complete combustion of fuel， accelerate the vertical sintering speed， as well as increase the yield of sintered product and drum index. Sintering with combustion air humidification with the steam flow rate of 0.024 kg/ min， can result in the average NOxconcentration decreased from 357 mg/ m3to 338 mg/ m3， and the drum index increased by about 1 percentage point. Key words sintering flue gas； denitration； combustion air humidification； sintering fuel； nitrogen oxides 烧结烟气是钢铁企业 NOx排放的主要来源［1-2］。 选择性催化还原（SCR）是较为成熟的脱硝技术，主要 应用于燃煤电厂［3］，但烧结烟气温度较低，很难直接 应用该技术。 因此，研究烧结配料、制粒和点火等工艺 十分重要［4-7］。 烧结 NOx主要来源于燃料，因此研究 燃料相关工艺是关键。 20 世纪 80 年代已有学者在燃 ①收稿日期 2020-03-04 基金项目 国家自然科学基金（51604199） 作者简介 易正明（1973-），男，湖北荆州人，教授，博士，主要研究方向为冶金过程数学模型及烧结工艺优化。 通讯作者 覃佳卓（1996-），男，广西柳州人，硕士研究生，主要研究方向为钢铁冶金数学模型与烧结工艺优化。 第 40 卷第 4 期 2020 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №4 August 2020 ChaoXing 汽轮机中开展加湿燃烧研究以减少 NOx排放，但国内 外在烧结领域关于加湿燃烧的研究较少［8-11］。 本文在 研究燃料工艺参数的基础上，进行了烧结加湿燃烧实 验，研究其对 NOx排放的影响。 1 实验原料与方法 烧结实验原料取自国内某钢铁企业烧结现场，实 验中各个物料的基准配比方案以实际生产情况为参 考，如表 1 所示。 各烧结物料化学成分如表 2 所示。 表 1 烧结物料基准配比（质量分数） / 混匀料返矿燃料白云石石灰石生石灰 632341.544.5 表 2 烧结物料化学成分（质量分数） / 物料TFe SiO2 CaOMgO 混匀料565.951.121.62 白云石1.3832.5020.43 石灰石1.2053.720.52 生石灰1.0481.940.77 返矿546.4311.872.34 实验选取了烧结现场使用的 3 种固体燃料（不同 品种的焦粉与煤粉的混合物），各燃料中 C、H、N、S 元 素含量如表 3 所示。 表 3 不同燃料中的元素含量（质量分数） / 燃料类型CHONS A69.161.2993.40.861.040 B71.831.3673.10.700.917 C75.451.5983.30.260.845 实验烧结杯尺寸为 Φ200 mm 700 mm， 实验装 置如图 1 所示。 图 1 实验装置示意 实验时，根据表 1 配比进行称重，并装入球形混合 机中加水进行一次混合制粒 2 min，再装入圆筒混合机 中进行二次混合制粒 4.5 min，混合机转速为 15 r/ min。 在烧结杯中加入粒径 10～15 mm 的铺底料 1.5 kg，混 合制粒结束后将混合料装入烧结杯中，开启风机控制 抽风负压为 6 kPa，使用天然气进行烧结点火，点火温 度1 05050 ℃，时间2 min。 点火结束后，调整抽风负 压为 10 kPa。 在料面喷吹蒸汽，经过负压抽风为烧结提供加湿 燃烧环境。 点火结束后，对料面持续喷吹蒸汽 5 min， 蒸汽压力 0.1 MPa，温度 100 ℃，流量 0.024 kg/ min。 实验中使用多功能型烟气分析仪记录 NOx浓度 和烟气温度。 烧结完成后，按比例选取 7 kg 粒度为 10～40 mm 的烧结矿进行转鼓实验。 2 实验结果与分析 2.1 燃料工艺参数对 NOx排放的影响 采用基准物料配比，使用 3 种不同燃料进行实验， 烟气中 NOx的含量如图 2 所示。 烧结时间/min 600 500 400 300 200 100 0 50101520 NOx 排放浓度/mg . m-3 燃料A 燃料B 燃料C ■ ● ▲ 图 2 燃料种类对 NOx排放的影响 由图 2 可知，点火期间，燃料逐渐开始燃烧，有少 量 NOx生成；点火结束后，燃料中大量 N 元素转化成 NOx，NOx浓度大幅度升高；12～16 min 时，NOx浓度达 到最大值；继续延长烧结时间，燃料逐渐消耗完毕， NOx浓度迅速降低。 由图 2 可知，NOx平均排放浓度从高到低依次为 A＞B＞C；由表3 可知，燃料中氮元素含量排序为 A＞B＞C； 燃料中氮元素含量排序与烧结过程中 NOx平均排放 浓度排序相同，说明燃料中氮元素含量高低决定了烧 结烟气中 NOx平均排放浓度的高低。 燃料中氮元素 是燃料型 NOx的主要来源，因此烧结过程中产生的 NOx中，燃料型 NOx占主导地位［12-15］。 使用燃料 C 时，烧结时间最短。 这是因为在 3 种 燃料中，燃料 C 的含碳量最高，在烧结时能够为生成 58第 4 期易正明等 烧结加湿燃烧对 NOx排放影响的研究 ChaoXing 铁酸钙液相提供更多热量，使得垂直烧结速度加快。 实际上，在燃料碳含量较高时，也一定程度上促进了 NOx还原［16］ 2C O2→ 2C（O）（1） C（O） NO→ C（ONO）（2） 2C（ONO）→ 2C（O2） N2（3） C（O2）→ CO2（4） 燃料碳含量高、温度较高时，反应（1）得到促进， 生成 C 与 O 的络合物 C（O），而该络合物在燃料表面 生成后，易于与燃料周围表面燃烧生成的 NO 进行反 应，进一步生成络合产物 C（ONO），这将促成反应（3） 和（4）的进行，从而使得更多的 NO 被还原成 N2，减少 了 NOx的浓度。 因此，氮元素含量少、碳含量高的燃料 C，既可以 提供烧结需求的热量，同时又减少氮氧化物的排放，是 烧结过程理想的燃料。 选择燃料 C 作为烧结固体燃料，控制燃料配比， 燃料配比对 NOx排放的影响如图 3 所示。 烧结时间/min 500 400 300 200 100 0 50101520 NOx 排放浓度/mg . m-3 6 5.5 5 4.5 4 ■ ● ▲ 燃料配比 ▲ ◆ 图 3 燃料配比对 NOx排放的影响 由图 3 可知，燃料配比降低，NOx平均浓度明显降 低，烧结速度变慢。 这是因为降低燃料配比后，氮含量 大幅减少。 但燃料配比降低，使得燃料释放的热量减 少，料层温度降低，烧结速度减慢，烧结时间增加。 不同 燃料配比下，各实验组烧结矿的转鼓强度如表 4 所示。 表 4 不同燃料配比烧结矿转鼓指数 燃料配比/ ％转鼓指数/ ％ 451.57 4.551.90 552.32 5.552.87 653.19 从表 4 可以看出，随着燃料配比降低，烧结矿强度 逐渐降低。 这是由于燃料释放的热量减少后，对铁酸 钙黏结相的形成造成了一定影响，使得烧结矿转鼓强 度下降；另外由于含碳量减少、料层温度降低，NOx的 还原反应（1） ～（4）没有得到促进，但 NOx平均排放浓 度依旧有明显降低，这说明通过降低配比来减少原料 中氮含量比提高碳含量对 NOx减排更加直接有效、 “贡献”更大。 但考虑到降低燃料配比会使烧结矿强 度降低，燃料配比选用 5％较为合适。 2.2 烧结加湿燃烧对 NOx排放的影响 使用基准配料方案，将加湿燃烧烧结与常规烧结 进行对比，结果如图 4 所示。 烧结时间/min 500 400 300 200 100 0 50101520 NOx 排放浓度/mg . m-3 常规烧结 加湿燃烧烧结 ■ ● 喷吹蒸汽 图 4 烧结方式对 NOx排放的影响 从图 4 可知，喷吹蒸汽过程中，2 种烧结方式 NOx 浓度相差不大。 喷吹蒸汽结束后，加湿燃烧烧结的 NOx排放浓度明显低于常规烧结的 NOx浓度。 由于 烧结料中部分碱金属对 H2O 的离解反应具有一定催 化作用［17-19］，H2O 离解生成 H 和 OH 自由基后，加速 了煤粉分子键的断裂，使煤粉更快析出挥发分 HCN 和 NH3。 而挥发分析出较多的区域主要集中在料层内 部，此时料层内氧气浓度相对较低，使得挥发分 HCN 和 NH3的氧化反应被抑制，而局部还原性气氛大大增 强，由于焦粉表面可以为还原 NO 提供催化反应场所 并对 HCN 和 NH3具有明显的活化作用［20-21］，因此 NO 的异相还原反应［22］显著增强，减少了 NOx的排放浓度。 HCN NO→ N2 HCO（5） 4NH3 6NO→ 5N2 6H2O（6） 加湿燃烧时烧结时间更短，这是由于在料层内可 以发生如下反应 C H2O（g）→ CO H2（7） C 2H2O（g）→ CO2 2H2（8） CO H2O（g）→ CO2 H 2 （9） 上述反应使部分缺氧区域可以利用 H2O 与 C、CO 反应，产生类似于“燃烧”的效果，这从很大程度上促 进了燃料的完全燃烧程度，且反应产物 CO 和 H2均可 燃烧，为料层提供了更多热量，加快烧结速度［23］。 与 68矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 常规烧结相比，加湿燃烧使用较少的燃料即可提供足 够热量完成烧结，而减少燃料消耗亦即从源头上减少 N 元素，从而有效降低 NOx。 同时反应（7） ～ （9）生成 的 CO 和 H2还能进一步加强还原性气氛，减少 NOx的 排放。 烧结过程中烟气温度变化如图 5 所示。 烧结时间/min 150 120 90 60 30 0 50101520 烟气温度/℃ 常规烧结 加湿燃烧烧结 ■ ● 图 5 加湿燃烧对烟气温度的影响 从图 5 可以看到，加湿燃烧时烟气温度均高于常 规烧结，终点烟气温度达到了 128 ℃，而常规烧结时终 点烟气温度为 123 ℃，喷吹蒸汽使得终点烟气温度上 升了 5 ℃，且烧结时间缩短约 1 min。 这说明加湿燃烧 增加了燃料的完全燃烧程度，料层获得热量更多。 加湿燃烧烧结与常规烧结时的烧结矿技术指标如 表 5 所示。 表 5 烧结矿技术指标 烧结 方式 转鼓前 质量/ kg 转鼓后质量 （≥6.3 mm）/ kg 转鼓 指数/ ％ 成品率 / ％ 垂直烧结速度 / （mmmin -1 ） 常规烧结73.6151.5754.8227.50 加湿燃烧烧结73.6952.7157.3128.95 对比烧结矿技术指标，加湿燃烧时垂直烧结速度 加快，烧结矿成品率上升约 2.5 个百分点，转鼓指数提 高约 1 个百分点，烧结矿机械强度有明显上升。 这是 由于喷吹蒸汽时，料层获得更多热量，有助于生成铁酸 钙黏结相，增加了烧结矿机械强度。 加湿燃烧烧结可 以在降低 NOx排放的同时提高烧结矿质量。 采用不同燃料配比进行加湿燃烧烧结，与常规烧 结进行对比，NOx平均排放浓度和转鼓指数分别如图 6～7 所示。 由图 6～7 可知，将燃料配比从 6％降低至 4％，在常规烧结下，NOx平均排放浓度降低 83 mg/ m3， 烧结矿转鼓指数降低 1.62 个百分点；加湿燃烧条件 下，NOx平均排放浓度降低 86 mg/ m3，烧结矿转鼓指 数降低 1.51 个百分点。 加湿燃烧 NOx浓度下降更多， 转鼓指数下降幅度更小，这说明将加湿燃烧的烧结方 式与降低燃料配比相结合，可以更好降低 NOx，同时一 定程度上避免烧结矿质量大幅波动。 综上所述，本文 建议采用 5％燃料配比进行加湿燃烧烧结，这样不仅 能有效减少 NOx的排放，又保障了烧结矿质量基本 稳定。 燃料配比/ 450 400 350 300 44.5565.5 NOx 平均排放浓度/mg . m-3 常规烧结 加湿燃烧烧结 341 329 363 352 394 382 406 396 424 415 图 6 不同烧结方式下的 NOx平均排放浓度 燃料配比/ 60 55 50 45 40 44.5565.5 转鼓指数/ 常规烧结 加湿燃烧烧结 51.57 52.71 51.9 52.9852.3253.1952.87 54.01 53.19 54.22 图 7 不同烧结方式下的转鼓指数 3 结 论 1） 烧结烟气中 NOx主要为燃料型，燃料氮含量决 定了烟气 NOx浓度的高低。 燃料碳元素能够一定程 度上促进 NOx还原反应，同时也能提供更多热量，促 进铁酸钙生成，缩短烧结时间。 应尽量选用氮含量较 低、碳含量较高的燃料进行烧结。 2） 加湿燃烧烧结可以增强料层还原性气氛，增强 NO 异相还原反应，降低 NOx浓度；可以提高燃料完全 燃烧程度，加快垂直烧结速度，烧结矿成品率上升约 2.5 个百分点，转鼓指数增加约 1 个百分点，烧结矿质 量有所提高。 参考文献 ［1］ 陈许玲，赵新泽，范晓慧，等. 铁矿烧结烟气净化技术综合评价模 型研究［J］. 矿冶工程， 2018，38（6）83-87. ［2］ 温 斌，宋宝华，孙国刚，等. 钢铁烧结烟气脱硝技术进展［J］. 环 境工程， 2017，35（1）103-107. （下转第 91 页） 78第 4 期易正明等 烧结加湿燃烧对 NOx排放影响的研究 ChaoXing 出渣中还含有少量的 Au、Ag、Fe 等金属，回收经济价 值不大。 3 结 论 1） 金精矿中金主要以硫化物（黄铁矿、毒砂）包 裹金形式存在，采用常规细磨-氰化浸出工艺，金浸出 率较低。 2） 采用常规焙烧方式，金浸出率均未达到 90％， 银浸出率低于 50％。 采用添加剂（NaXY 100 kg/ t YC-1 20 kg/ t）焙烧，在 650 ℃条件下焙烧 1.0 h，金浸 出率达到 93.56％，银浸出率达 62.45％。 3） 添加 YC-1 可加快硫化物氧化反应速率，添加 NaXY 可消耗焙烧过程中生成的活性硅氧化物和铁氧 化物，降低二次包裹金、银的生成，因此银浸出率大幅 提高，金浸出率也有所提高。 此外添加 NaXY 焙烧后 生成 Na3AsO4，有利于砷的脱除。 参考文献 ［1］ 杨永斌，刘晓亮，李 骞，等. 某高砷高硫金精矿焙砂浸金特性的 研究［J］. 矿冶工程， 2014，34（3）65-68. ［2］ 李 婕. 含砷、硫金精矿焙烧-氰化浸出工艺研究［J］. 湖南有色金 属， 2009，25（4）32-33. ［3］ 郑可利，华 杰. 某含砷金精矿的焙烧氰化浸出工艺研究［J］. 金 属矿山， 2003（3）26-27. ［4］ 刘秀儒，袁玉蝶，姚玉田. 含砷金矿碱焙烧法提金研究［J］. 黄金， 1991，12（12）37-38. ［5］ 易 峦，钟 义，朱超英. 某极微细粒难选金矿选冶工艺研究［J］. 矿冶工程， 2012（6）58-59. ［6］ 江国红，欧阳伦熬，张艳敏. 含砷硫高碳卡淋型金矿石焙烧-氯化 浸金工艺实验研究［J］. 湿法冶金， 2003，22（9）129-130. ［7］ 胡杨甲，贺 政，赵志强，等. 高砷难处理硫精矿氰化浸出提银实 验研究［J］. 贵金属， 2015，36（3）14-15. ［8］ 李建政，王军强. 中亚某难处理金矿选冶工艺研究［J］. 矿冶工 程， 2019，39（5）53-55. ［9］ Zhong Shuiping. Study and Application of Additive in Roasting Process for Silver Bearing Refractory Gold Concentrates［J］. Nonfer- rous Metals （Extractive Metallurgy）， 2016（1）27-29. ［10］ Tang D W， Gao P， Chen L， et al. The influence of desulfurization on gold leaching in the process of roasting pretreatment［J］. Precious metals， 2016，37（4）63-65. ［11］ Zhang Yan， Li Qian， Liu Xiaoliang， et al. A Thermodynamic Analy- sis on the Roasting of Pyrite［J］. Minerals， 2019（9）220-223. ［12］ He Dongsheng， Feng Qiming， Zhang Guofan， et al. Thermodynamic analysis on oxidizing roasting process of stone coal［J］. Journal of Wuhan Institute of Technology， 2010（11）50-53. 引用本文 胡杨甲， 赵志强，罗思岗，等. 焙烧方式对含砷金精矿中金、 银浸出率的影响［J］. 矿冶工程， 2020，40（4）88-91. （上接第 87 页） ［3］ Min Gan， Xiaohui Fan， Wei Lv， et al. Fuel pre-granulation for reduc- ing NOxemissions from the iron ore sintering process［J］. Powder Technology， 2016，301478-485. ［4］ 刘瑞鹏. 铁矿石烧结过程中的氮氧化物排放规律及其影响因素试 验研究［D］. 杭州浙江大学热能工程学院， 2015. ［5］ 吴胜利，阙志刚，苏 博，等. 铁矿烧结工艺料层内脱硝技术的研 究进展［J］. 工程研究， 2017，9（1）61-67. ［6］ 苏玉栋. 烧结主要工艺参数对烟气中 NOx排放的影响研究［D］. 上海上海交通大学环境科学与工程学院， 2014. ［7］ 何木光，胡 鹏，崔庆爽，等. 烧结混合料增湿点火烧结试验［J］. 矿业工程， 2018，16（4）31-33. ［8］ 何木光，蒋大军，宋 剑，等. 空气加湿对烧结性能指标的影响［J］. 钢铁钒钛， 2015，36（3）62-66. ［9］ Prasad A. Application effect of steam injection humidifier for sintering machine bed［J］. Modern Metallurgy， 2014（1）7-10. ［10］ 裴元东，欧书海，马怀营，等. 烧结料面喷吹蒸汽对烧结矿质量和 CO 排放影响研究［J］. 烧结球团， 2018，43（1）35-39. ［11］ 张 硕，郝晓倩，伯飞虎. 烧结过程中氮氧化物排放的研究［J］. 钢铁研究， 2017，46（6）110-115. ［12］ 苏玉栋，李咸伟，范晓慧. 烧结过程中 NOx减排技术研究进展［J］. 烧结球团， 2013，38（6）41-44. ［13］ 任重培，朱天乐，朱廷钰，等. 烧结过程 NOx和 SO2形成规律及 烧结料组成对 NOx排放的影响［J］. 环境科学， 2014，35（10） 3669-3673. ［14］ 赵 凯，李 杰，张玉柱，等. 邢钢烧结原料基础特性及优化配矿 试验研究［J］. 矿冶工程， 2016，36（4）88-92. ［15］ 裴元东，史凤奎，吴胜利，等. 烧结料面喷洒蒸汽提高燃料燃烧效 率研究［J］. 烧结球团， 2016，41（6）16-20. ［16］ Xuling Chen， Yunsong Huang， Min Gan， et al. Effect of H2O（g） content in circulating flue gas on iron ore sintering with flue gas re- circulation［J］. Journal of Iron and Steel Research， International， 2015，22（12）1107-1112. ［17］ Nobuyuki OYAMA， Yuji IWAMI， Tetsuya YAMAMOTO， et al. De- velopment of secondary-fuel injection technology for energy reduction in the iron ore sintering process［J］. ISIJ International， 2011，51 （6）913-921. ［18］ Ryu H J， Lim N Y， Bae D H， et al. Carbon deposition characteris- tics and regenerative ability of oxygen carrier particles for chemical- looping combustion［J］. Korean Journal of Chemical Engineering， 2003，20（1）157-162. ［19］ 高正阳，杨维结，阎维平，等. 煤焦催化 HCN 还原 NO 的反应机 理［J］. 燃料化学学报， 2017，45（9）1043-1048. ［20］ 韩云龙，李迎根，郑 昭，等. 铁矿石尾矿粉催化还原 NO 的实验 研究［J］. 过程工程学报， 2018，18（2）350-355. ［21］ 孙志君，苏 胜，宁 星，等. 煤焦 O2/ CO2燃烧方式下 NOx生成 与异相还原特性［J］. 燃烧科学与技术， 2014，20（6）517-522. ［22］ 郗 丹，汪 洋，刘建忠，等. 加湿燃烧研究现状［J］. 热能与动 力工程， 2014，29（1）1-6. ［23］ 苟 湘，周俊虎，周志军，等. 水蒸气对煤粉燃烧生成 NO 的影响［J］. 热力发电， 2007（10）4-8. 引用本文 易正明， 覃佳卓，邓植丹，等. 烧结加湿燃烧对 NOx排放影响 的研究［J］. 矿冶工程， 2020，40（4）84-87. 19第 4 期胡杨甲等 焙烧方式对含砷金精矿中金、银浸出率的影响 ChaoXing
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