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CFB锅炉培训教材
循环流化床锅炉培训资料
2005年11月
前言
为满足我厂循环流化床锅炉培训的需要,根据相关资料编制本教材,全面介绍循环流化床锅炉的基本知识和实用操作方法,使技术人员、操作人员尽快熟悉循环流化床的基本原理和特点,为将来装置的开车和生产运行做好准备。
本书共分十章,第一、二章分别介绍了循环流化床锅炉的概念、基本原理和特点以及循环流化床锅炉的计算机控制系统原理;第三、四章分别介绍了循环流化床的主体结构、关键部位与主要辅助系统;第五章主要介绍循环流化床锅炉的试验与调试方法;第六、七章主要讲述了循环流化床锅炉的开停炉及正常运行调整方法;第八章对循环流化床锅炉的常见运行事故及故障处理方法进行了探讨;第九章主要介绍煤的特性;第十章介绍我厂循环流化床锅炉的工艺状况。
本书由霍爱明、刘光明负责编制,季绍卿、徐玉陵审核。
由于部分设备厂家资料不全,加之水平所限,书中谬误和不妥之处在所难免。
恳请读者批评指正。
二〇〇五年十一月八日
目录
第一章循环流化床锅炉的概念、原理及特点1
第一节循环流化床锅炉的概念1
一、流态化1
二、临界流态化速度2
三、颗粒的夹带、扬析3
四、宽筛分颗粒特性3
第二节循环流化床锅炉的工作原理4
一、循环流化床锅炉的典型工作条件4
二、循环流化床锅炉的基本构成4
三、循环流化床内煤的燃烧过程5
四、循化流化床锅炉的燃烧区域7
五、循环流化床燃烧过程的特点8
六、循环流化床锅炉的炉内传热10
七、循环流化床锅炉的脱硫与氮氧化物的排放控制。
13
八、循环流化床锅炉的运行调节14
九、循环流化床锅炉的优点21
十、循环流化床锅炉与煤粉炉的区别22
十一、循环流化床锅炉目前存在的主要问题22
第二章循环流化床锅炉的计算机控制系统24
第一节锅炉燃烧控制24
一、母管压力调节系统25
二、主汽压力调节系统25
三、燃料控制系统25
四、给煤量调节系统26
五、总风量调节系统26
六、一次风量调节系统26
七、二次风量调节系统26
八、二次风压调节系统26
九、播煤风量调节系统26
十、床层温度调节系统27
十一、石灰石供量调节27
十二.点火风量控制系统27
十三、床层压差调节系统27
十四、炉膛压力调节系统28
十五、汽包水位调节系统28
十六、蒸汽减温调节系统29
十七、燃烧器风量调节29
十八、燃烧器油系统调节系统29
十九、汽包连排调节系统29
第二节炉膛安全监控系统29
一、循环流化床锅炉的主燃料切除保护30
二、对锅炉燃用油的控制31
三、MFT复归的必要条件31
四、锅炉的热态启动的条件31
五、MFT动作31
六、炉膛安全检测保护32
第三节机炉协调控制系统33
第三章循环流化床锅炉本体35
第一节炉膛35
第二节旋风分离器37
一、旋风分离器的作用37
二、旋风分离器的形式37
三、旋风分离器的特点37
第三节回料装置38
一、回料装置的用途及其分类38
二、返料装置的结构及工作原理39
第四节布风装置39
一、风帽40
二、布风板40
第五节水汽系统及烟风系统41
一、循环流化床锅炉的水汽系统41
二、循环流化床锅炉烟风系统46
第六节膨胀与密封系统48
第七节耐磨材料49
第八节构架和平台扶梯50
第九节炉墙50
第十节安全附件50
第四章循环流化床锅炉辅助系统51
第一节风机51
一、一次风机51
二、二次风机51
三、引风机52
四、高压风机52
五、螺杆压缩机53
第二节排渣系统53
第三节给煤系统54
一、称重式皮带给煤机54
二、播煤风系统55
第四节石灰石系统55
第五节点火油系统56
第六节布袋除尘系统56
第七节输灰系统57
第五章循环流化床锅炉的试验与调试59
第一节锅炉水压试验与安全门校验59
一、水压试验种类及目的59
二、水压试验前的检查与准备60
三、水压试验方法60
四、安全门校验61
第二节转动机械试运转及联锁关系试验63
一、循环流化床锅炉联锁条件63
二、试验步骤63
三、转动机械试运转64
第三节冷态空气动力场试65
第四节烘炉67
一、烘炉的目的67
二、烘炉步骤67
第五节化学清洗及煮炉69
一、化学清洗69
二、煮炉70
第六节蒸汽冲管71
一、冲管的目的71
二、冲管方法、范围及吹管参数71
三、冲管步骤72
第七节输灰系统调试75
一、调试机组设备规范75
二、调试步骤、作业程序75
第八节除渣系统调试76
一、设备概述76
二、启动前应具备的条件76
三、控制系统试验76
四、启动调整77
第九节布袋除尘调试77
第十节点火燃烧系统调试方案78
一、燃油系统调试的目的78
二、燃烧系统试运前应具备的条件78
三、燃油系统蒸汽冲洗及油循环79
四、油枪雾化试验79
五、点火试验79
第十一节给煤系统调试方案80
一、给煤系统概述80
二、给煤系统启动前应具备的条件80
三、静态试验及调整80
四、带负荷运转81
五、安全技术措施82
第十二节锅炉整套起动82
一、锅炉整套起动的目的82
二、调试对象及范围82
三、调试要求84
四、调试前应具备的条件及准备工作84
五、调试步骤、作业程序86
六、整套启动过程中的注意事项87
七、锅炉运行的控制与调整88
八、事故紧急停炉和故障停炉91
九、安全技术措施92
第十三节锅炉性能验收试验92
一、锅炉额定出力特性试验92
二、锅炉连续最大出力试验93
三、锅炉负荷特性试验93
四、机组散热测试93
五、锅炉启动、停止特性试验93
六、变动工况试验93
第六章循环流化床锅炉的起动与停运94
第一节锅炉的冷态启动94
一、锅炉启动前的准备94
二、锅炉启动98
第二节压火热备用及热态起动101
一、锅炉的压火热备用101
二、锅炉压火后的热态起动102
第三节停运和保养102
一、正常停炉102
二、非计划停炉(MFT)操作103
三、停炉时的注意事项103
第四节停炉后的冷却104
一、停炉后的冷却104
二、冲洗过热器104
三、停炉后的防腐105
第七章循环流化床锅炉正常运行调整107
第一节床温控制107
第二节床压控制108
第三节汽温调整108
第四节负荷调整109
第五节回料器调整109
第八章循环流化床锅炉常见事故及故障处理方法111
紧急停炉情况111
第一节炉膛结焦事故112
第二节爆燃事故113
第三节耐火材料坍塌事故113
第四节返料器的堵塞事故114
第五节冷渣器的堵塞事故115
第六节炉管爆破事故115
一、炉管爆破的原因116
二、炉管爆破的现象117
三、炉管爆破的处理117
第七节水冷布风板漏渣事故117
一、漏渣主要现象117
二、漏渣的主要原因117
三、预防布风板漏渣的措施118
第八节布袋除尘器故障118
一、粉尘排放超标118
二、阻力过高119
三、滤袋的寿命过短120
第九节石灰石系统故障120
一、石灰石输送管堵塞120
二、石灰石仓内不下料121
三、旋转给料机故障121
第十节锅炉熄火事故121
一、锅炉熄火的原因121
二、锅炉熄火的现象121
三、锅炉熄火的处理122
第十一节辅机故障122
一、一次风机常见故障及预防措施122
二、二次风机常见故障及预防措施123
三、高压风机常见故障及预防措施123
四、给煤系统常见故障及预防措施124
五、点火油系统124
第九章锅炉的燃料126
第一节燃煤的成分及特性126
一、煤的元素分析和工业分析126
二、煤的主要成分126
三、燃煤的特性127
第二节点火用油129
一、燃油的主要特性指标129
二、点火燃用油130
第三节燃煤的燃烧特性131
一、煤的燃烧特性131
第四节燃料成分对锅炉运行的影响132
一、硫分的影响132
二、灰分的影响132
三、水分的影响132
四、挥发分的影响133
五、灰的熔化性质的影响133
第十章装置总体说明134
第一节主要工艺参数134
一、装置能力134
二、装置组成134
三、原材料规格和产品规格134
四、原材料消耗量及产品、副产品产量138
五、公用物料和消耗指标140
第二节工艺设计说明142
一、概述142
二、工艺设计说明143
第三节主要设备参数149
一、概述149
二、主要设备设计参数149
第四节生产过程中主要危害151
第一章循环流化床锅炉的概念、原理及特点
循环流化床锅炉燃烧技术是一种新型的高效低污染、目前商业化最好的清洁燃烧技术之一,20世纪70年代的能源危机和越来越突出的环保问题促进了这种燃烧技术的发展。
循环流化床锅炉兼有鼓泡流化床锅炉和常规煤粉锅炉的长处,又克服了鼓泡流化床锅炉燃烧和脱硫效率低、难以大型化等缺点,同时也避免了煤粉炉所需价格昂贵的烟气脱硫装置。
流化床燃烧设备按流体动力特性分为鼓泡流化床和循环流化床,按工作条件分为常压和增压式流化床。
现在大型循环流化床锅炉按锅炉自身特点和开发厂商名称分类的主要炉型有三大流派,分别为:
以德国Lurgi公司为代表的鲁奇型和以美国的FosterWheeler公司、芬兰的Alstorm公司(两者兼并)为代表的FWPyroflow型和德国Babcock公司的Circofluid型。
按物料循环倍率可分为:
(1)低循环倍率循环锅炉,循环倍率K<15。
(2)中循环倍率循环锅炉,循环倍率15 (3)高循环倍率循环锅炉,循环倍率K>40。 第一节循环流化床锅炉的概念 一、流态化 在流化床中,当固体颗粒中有流体通过时,随着流体速度逐渐增大,固体颗粒开始运动,且固体颗粒之间的摩擦力也越来越大,当流速达到一定值时,固体颗粒之间的摩擦力与它们的重力相等,每个颗粒可以自由运动,所有固体颗粒表现出类似流体状态的现象,这种现象称为流态化。 固体颗粒(床料)、流体(流化风)以及完成流态化过程的设备称为流化床。 对于液固流态化的固体颗粒来说,颗粒均匀地分布于床层中,称为散式流态化。 而对于气固流态化的固体颗粒来说,气体并不均匀地流过床层,固体颗粒分成群体作紊流运动,床层中的空隙率随位置和时间的不同而变化,这种流态化称为聚式流态化。 循环流化床锅炉属于聚式流态化。 当气体通过颗粒床层时,床层随着气流速度的变化会呈现不同的流动状态。 如图1-2所示,固体颗粒随着气流速度的增大分别呈现五种不同的流动状态: 固定床、鼓泡流化床、湍(紊)流流化床、快速流化床、气力输送。 循环流化床处于紊(湍)流流化床与快速流化床阶段。 (1)固定床,如图1-1(a)所示。 此种状态下,气流在颗粒的缝隙中流过,所有的固体颗粒呈静止状态。 (2)鼓泡流化床,如图1-1(b)所示。 当气流速度达到一定值时,静止的床层开始松动,当气流速度超过临界流化风速时,料层内会出现气泡,并不断上升,而且还聚集成更大的气泡穿过料层破裂。 整个料层呈现沸腾状态。 鼓泡流化床存在明显的分界面,其上部为稀相区,包括床层表面至流化床出口间的区域,称为自由空间或悬浮段。 下部为密相区,也称为沸腾段。 (3)湍(紊)流流化床,如图1-1(c)所示。 随着气流速度继续上升到一定数值,固体颗粒开始流动,床层分界面逐渐消失,固体颗粒不断被带走,以颗粒团的形式上下运动,产生高度的返混。 此时的气流速度为床料终端速度。 (4)快速流化床,如图1-1(d)所示。 当气流速度进一步增大,固体颗粒被气流均匀带出床层。 此时气流速度大于固体颗粒的终端速度,床内颗粒浓度基本相等。 床内颗粒浓度呈上稀下浓状态。 循环流化床的上升段属于快速流化床。 快速流态化的主要特征为床层压降用于悬浮和输送颗粒并使颗粒加速,单位高度床层压降沿床层高度不变。 (5)气力输送,如图1-1(e)所示。 分为密相气力输送和稀相气力输送。 对于前者,床内颗粒浓度变稀,并呈上下均匀分布状态,其单位高度床层压降沿床层高度不变。 增大气流速度,床层压降减小。 对于后者,增大气流速度,床层压降上升。 密相气力输送的典型特征为: 床层压降用于输送颗粒并克服气、固两相与壁面的摩擦。 稀相气力输送的床层压降主要受摩擦压降支配。 图1-1不同气流速度下固体颗粒床层的流动状态 (a)固定床;(b)鼓泡流化床;(c)紊流流化床;(d)快速流化床;(e)气力输送 二、临界流态化速度 (1)对于由均匀粒度的颗粒组成的床层中,在固定床通过的气体流速很低时,随着风速的增加,床层压降成正比例增加,并且当风速达到一定值时,床层压降达到最大值,该值略大于床层静压,如果继续增加风速,固定床会突然出现“解锁”现象,床层压降降至为床层的静压。 如果床料是由宽筛分颗粒组成的话,其特性为: 在大颗粒尚未运动前,床内的小颗粒已经部分流化,床层从固定床转变为流化床的解锁现象并不明显,而往往会出现分层流化的现象。 颗粒床层从静止状态转变为流态化所需的最低速度,称为临界流态化速度。 随着风速的进一步增大,床层压降几乎不变。 循环流化床锅炉正常运行所需的流化风速一般是2~3倍的临界流化速度。 图1-2床温与临界流态化风速的关系 (2)影响临界流态化速度的因素有: 1)料层厚度对临界流速影响不大。 2)料层的当量平均料径增大则临界流速增加。 3)固体颗粒密度增加时临界流速增加。 4)流体的运动粘度增大时临界流速减小: 如床温增高时,临界流速减小。 床温与临界流速比值(qt)的关系如图1-2所示。 三、颗粒的夹带、扬析 当床层流动状态转到湍流流化床时,密相床层和稀相床层的界面开始模糊,颗粒夹带量明显增加。 当气流通过颗粒层时,一些终端速度小于床层表观气速的细颗粒将被上升气流带走,这一过程称为扬析。 由于扬析过程中更多颗粒被夹带着离开床层,其中终端速度大于床层表观气速的颗粒,经过一定的分离高度后会陆续返回床层,因此存在着输送分离高度,英文简称TDH。 此过程就是通常所说的循环流化床的内循环。 在TDH以上的空间,颗粒浓度不再降低,床层表面至TDH之间的空间称为自由空间,燃用宽筛分的燃煤流化床锅炉,其炉膛出口高度通常低于TDH,因此同时存在着夹带和扬析现象。 发生扬析现象的颗粒的来源有三个: (1)给煤中的细颗粒。 (2)煤在挥发分析出阶段破碎形成的细颗粒。 (3)在煤燃烧的同时,由于磨损造成的细颗粒。 四、宽筛分颗粒特性 1.宽筛分颗粒定义 进入锅炉的燃料颗粒直径一般是不相同的,如果粒径粗细范围较大,即较宽,称为宽筛分;粒径粗细范围较小,称为窄筛分。 循环流化床(气固流化床)床料中的颗粒通常是粒径由小到大的宽筛分布,由于颗粒的直径不同,其流动工况和规律也各不相同。 这样就需要显示出颗粒大小的分布规律,利用此规律来研究两相流动和燃烧,或者求出分散相颗粒直径的平均值,以平均直径颗粒的运动来代表分散相颗粒群的运动规律,粒径的分布规律是一个重要特性。 除了要知道颗粒尺寸的分布规律外,还要了解各颗粒所占表面积的分布规律和各颗粒重量的分布规律。 燃料的筛分对锅炉运行的影响较大,一旦锅炉确定下来,其燃料筛分基本就确定下来。 对于挥发分较高的煤,粒径允许范围较大,筛分较宽;对于挥发分较低的煤,其粒径要求较小,筛分较窄。 2.宽筛分颗粒分类 1)C类颗粒。 这类颗粒粒度很细,一般都小于20µm,颗粒间相互作用力很大,很难流态化。 2)A类颗粒。 这类颗粒粒度比较细。 一般为20~90µm,通常很易流化。 3)B类颗粒。 这类颗粒具有中等粒度,粒度范围为90~650µm,具有良好的流化性能。 它在流体速度达到临界流化速度后就会发生鼓泡现象。 4)D类颗粒。 这类颗粒粒度通常具有较大的粒度和密度,并且在流化状态时颗粒混合性能较差。 大多数循环流化床锅炉内的床料和燃料均属于D类颗粒。 3.宽筛分颗粒流化时的动力特性 1)小于流体密度的物体浮在床层表面,密度大于流体密度的物体会下沉。 2)床层表面保持水平,形状保持容器的形状。 3)在任一高度的静压近似等于在此高度以上单位床截面积内固体颗粒的重量。 4)床层内颗粒混合良好,加热床层时所有床料温度基本保持均匀。 5)床层内固体颗粒可以像流体一样从底部或侧面的孔中排出。 6)几个流化床底部连通后,床层高度自动保持同一水平高度。 第二节循环流化床锅炉的工作原理 一、循环流化床锅炉的典型工作条件 循环流化床锅炉的典型工作条件可归纳为表1-1。 表1-1循环流化床锅炉的工作条件 项目 数值 项目 数值 床层温度(℃) 850~950 床层压降KPa 6~12 流化速度(m/s) 4~8 炉内颗粒浓度 (kg/m3) 150~600(炉膛底部) 床料粒度(ηm) 100~700 3~40(炉膛上部) 床料密度(kg/m3) 1800~2600 Ca/S摩尔比 1.5~3 燃料粒度(mm) 0~13 壁面传热系数 [W/(m2·K)] 130~250 脱硫剂粒度(mm) 0~2 二、循环流化床锅炉的基本构成 循环流化床锅炉可分为两个部分。 第一部分由炉膛(流化床燃烧室)、气固分离设备(分离器)、固体物料再循环设备(返料装置或称返料器)和外置换热器(有些循环流化床锅炉没有该设备)等组成,上述部件形成了一个固体物料循环回路。 第二部分为尾部对流烟道,布置有过热器、再热器、省煤器和空气预热器等,与常规火炬燃烧锅炉相近。 图1-3为典型循环流化床锅炉燃烧系统的示意。 燃料和脱硫剂由炉膛下部进火锅炉,燃烧所需的一次风和二次风分别从炉膛的底部和侧墙送入,燃料的燃烧主要在炉膛中完成。 炉膛四周布置有水冷壁,用于吸收燃烧所产生的部分热量。 由气流带出炉膛的固体物料在分离器内被分离和收集,通过返料装置送回炉膛,烟气则进入尾部烟道。 图1-3典型的循环流化床锅炉燃烧系统示意 1.炉膛 炉膛的燃烧以二次风入口为界分为两个区。 二次风入口以下为大粒子还原气氛燃烧区(密相区),二次风入口以上为小粒子氧化气氛燃烧区(稀相区)。 燃料的燃烧过程、脱硫过程、NOx和N2O的生成及分解过程主要在燃烧室内完成。 燃烧室内布置有受热面,它完成大约50%燃料释热量的传递过程。 流化床燃烧室既是一个燃烧设备,也是一个热交换器、脱硫、脱硝装置,集流化过程、燃烧、传热与脱硫、脱硝反应于一体。 所以流化床燃烧室是流化床燃烧系统的主体。 2.分离器 循环流化床分离器是循环流化床燃烧系统的关键部件之一。 它的形式决定了燃烧系统和锅炉整体布置的形式和紧凑性,它的性能对燃烧室的空气动力特性、传热特性、物料循环、燃烧效率、锅炉出力和蒸汽参数、对石灰石的脱硫效率和利用率、对负荷的调节范围和锅炉启动所需时间以及散热损失和维修费用等均有重要影响。 国内外普遍采用的分离器有高温耐火材料内砌的绝热旋风分离器、水冷或汽冷旋风分离器、各种形式的惯性分离器和方形分离器等。 3.返料装置 返料装置是循环流化床锅炉的重要部件之一。 它的正常运行对燃烧过程的可控性、锅炉的负荷调节性能起决定性作用。 返料装置的作用是将高温旋风分离器分离下来的高温灰,从分离器下部的低压侧(一般为负压)输送到燃烧室下部的高压侧(正压),分离器收集下来的物料送回流化床循环燃烧,并保证流化床内的高温烟气不经过返料装置短路流入分离器。 实现这种输送的动力来自流化后的物料重力。 因此,分离器与回料器之间的立管高度和料位高度对回送的实现非常重要。 返料装置既是一个物料回送器,也是一个锁气器。 如果这两个作用失常,物料的循环燃烧过程建立不起来,锅炉的燃烧效率将大为降低,燃烧室内的燃烧工况变差,锅炉将达不到设计蒸发量。 流化床燃烧系统中常用的返料装置是非机械式的。 通常采用的返料器主要有两种类型: 一种是自动调整型返料器,如流化密封返料器;另一种是阀型返料器,如“L”阀等。 自动调整型返料器能随锅炉负荷的变化,自动改变返料量,不需调整返料风量。 阀型返料器要改变返料量则必须调整返料风量,也就是说,随锅炉负荷的变化必须调整返料风量。 4.外置换热器 部分循环流化床锅炉采用外置换热器。 外置换热器的作用是,使分离下来的物料部分或全部(取决于锅炉的运行工况和蒸汽参数)通过它,并将其冷却到500℃左右,然后通过返料器送至床内再燃烧。 外置换热器内可布置省煤器、蒸发器、过热器、再热器等受热面。 外置换热器的实质是一个细粒子鼓泡流化床热交换器,流化速度是0.3~0.45m/s,它具有传热系数高、磨损小的优点。 采用外置换热器的优点如下: 1)可解决大型循环流化床锅炉床内受热面布置不下的困难; 2)为过热蒸汽温度和再热蒸汽温度的调节提供了很好的手段; 3)增加循环流化床锅炉的负荷调节范围; 4)增加同一台锅炉对燃料的适应性; 5)节约锅炉受热面的金属消耗量。 三、循环流化床内煤的燃烧过程 1.煤的加热和干燥。 煤粒送入循环流化床内迅速受到高温物料和烟气的辐射而被加热和干燥,加热速率一般在100~1000℃/s的范围内,即加热时间仅有几秒钟。 首先水分蒸发,然后煤粒中的挥发分析出并燃烧、最后是焦炭的燃烧。 其间伴随着煤粒的破碎、磨损,而且挥发分析出燃烧过程与焦炭燃烧过程都有一定的重叠。 煤粒在流化床中的燃烧过程如图1-4所示。 循环流化床内沿高度方向可以分为密相床层和稀相空间,密相床层运行在鼓泡床和紊流床状态。 循环流化床内绝大部分是惰性的灼热床料,其中的可燃物只占很小的一部分。 这些灼热的床料成为煤颗粒的加热源,在加热过程中,所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几,而煤粒在l0s左右就可以燃烧(颗粒平均直径在0~8mm),所以对床温的影响很小。 2.循环流化床内煤的燃料着火。 流化床内燃料着火的方式,固体质点表面温度起着关键作用,是产生着火的点灶热源,这类固体近质点可以是细煤粒,也可以是经分离后的高温灰粒或者是布风板上的床料。 当固体质点表面温度上升时,煤颗粒会出现迅猛着火。 另外,颗粒直径大小对着火也有很大的影响,对一定反应能力的煤种,在一定的温度水平之下,存在临界的着火粒径,小于这个颗粒直径,因为散热损失过大,燃料颗粒就不能着火,逸出炉膛。 图1-4燃烧烧过程图 3.循环流化床内煤的破碎特性。 煤在流化床内的破碎特性是指煤粒在进入高温流化床后粒度急剧减小的一种性质。 但引起粒度减小的因素还有颗粒与剧烈运动的床层间磨损以及埋管受热面的碰撞等。 影响颗粒磨损的主要因素是颗粒表面的结构特性、机械强度以及外部操作条件等。 磨损的作用贯穿于整个燃烧过程。 煤粒进入流化床内时,受到炽热床料的加热,水分蒸发,当煤粒温度达到热解温度时,煤粒发生脱挥发分反应,对于高挥发分的煤种,热解期间将伴随一个短时发生的拟塑性阶段,颗粒内部产生明显的压力梯度,一旦压力超过一定值,已经固化的颗粒表层可能会崩裂而形成破碎;对低挥发分煤种,塑性状态虽不明显,但颗粒内部的热解产物需克服致密的孔隙结构都能从煤粒中逸出,因此颗粒内部也会产生较高的压力,另外,由于高温颗粒群的挤压,颗粒
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