CN1105869C - 催化燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
一种催化燃烧装置,具有:由使燃气与空气的混合气体燃烧的多个连通孔构成的板状催化体(7);放置催化体(7)的、将与催化体(7)两面中任一侧的面相对配置的辐射受热板(11)作为侧壁一部分的燃烧室(6)。该装置可有效利用来自催化体表面的辐射,提高热交换率,从而实现排气特性良好的催化燃烧装置。
Description
技术领域
本发明涉及利用使气体燃料或液体燃料气化并催化燃烧而产生的燃烧热量或气体以进行加热或制暖、干燥等为目的的排气特性良好的催化燃烧装置。
背景技术
现有的使气体燃料或液体燃料催化燃烧而进行加热或制暖、干燥等的催化燃烧装置,一般是如图9所示的结构。
就其结构用图9来说明。图9中,由1的燃料供给阀供给的燃气与由2的空气供给阀供给的空气在预混合室3混合而作为混合气被送到预热燃烧器4。由点火装置5点火,在预热燃烧器4上形成火焰。由火焰产生的高温气体一面加热一面通过在燃烧室6内设置的催化体7,并从排气口8排出。若催化体7升温成为具有活性的温度,则一旦停止由燃料供给阀1供给的燃料就熄火。此后马上再通过供给燃料,再开始催化燃烧。催化体处于高温状态,就通过在与催化体上游面相对的位置设置的玻璃9而辐射放热,而作为高温的气体通过从排气口8放热来进行加热或制暖。
由于催化燃烧是表面燃烧,故催化体随着催化体的温度与催化体的外观的表面积而放出大量的辐射。在用热介质等进行热交换、以进行加热或制暖的催化燃烧装置中,必须将用催化体产生的燃烧热量高效率地与热介质进行热交换。因此,就必须使来自催化体表面的辐射进行有效的热交换。但是,若来自催化体的辐射热不传热到热交换器而对燃烧器的另一外壁进行加热或向燃烧器外放热,则就存在着所述催化燃烧装置的热交换率变差的问题。
因此,为解决上述存在的缺点,本发明的目的在于,提供一种有效利用来自催化体表面辐射的热交换率较高的催化燃烧装置。
此外,在将催化体安装在燃烧室时,催化体上的燃烧热量从在燃烧室上的安装部通过热传导而传热到燃烧室。因而,存在着在催化体支架附近的催化体温度下降,局部催化活性降低且含有未燃烧成分的气体被排出的问题。
因此,鉴于上述存在的缺点,本发明的目的在于,提供一种防止从在催化体的燃烧室上的安装部排出未燃烧成分且排气特性良好的催化燃烧装置。
此外,在用翅片管等热交换器使燃烧气体的显热进行热交换时,若将热交换器设置在催化体的上方,由于在燃烧器竖起时因燃烧热量被燃烧器本身的升温所吸取而使气体温度不太高,故有可能在热交换器上产生凝结水而弄湿催化体。一旦催化体被凝结水弄湿,温度就下降,催化反应速度降低,从而有可能局部降低反应特性。另外,由于不能在热交换器上凝结成水,故不能充分进行热交换燃烧气体中的潜热不能回收而必须作为排气损失排出。
因此,为解决上述存在的缺点,本发明的目的在于,通过在热交换器上方设置热交换器将在热交换器上产生的凝结水排向燃烧器外,来防止因凝结水产生的燃烧特性局部的紊乱,以保持稳定的燃烧状态,并同时提供一种热交换率非常高的催化燃烧装置。
发明的公开
本发明催化燃烧装置的一个技术方案,其特点在于,具有:供给燃料的燃料供给部;供给燃烧利用空气的空气供给部;对由所述燃料供给部供给的燃料与由所述空气供给部供给的空气予以混合制成混合气体的预混合室;将所述混合气体催化燃烧的、用多孔质体构成的板状催化体;在所述预混合室下游侧设置的、放置所述板状催化体、将与所述催化体两面内的任何一侧的面相对配置的第1辐射受热部做成侧壁一部分的燃烧室。
此外,所述第1辐射受热部也可紧贴或内藏有热介质流路。
另外,所述燃烧室也可将与所述催化体两面内的另一侧的面相对配置的第2辐射受热部做成侧壁一部分。
另外,所述第2辐射受热部也可紧贴或内藏有热介质流路。
另外,在所述燃烧室出口也可具有用多孔质体构成的板状的第2催化体。
另外,在所述燃烧室内部电镀所述第1辐射受热部表面也可设有辐射吸收层。
另外,在所述燃烧室内部的所述第2辐射受热部表面也可设有辐射吸收层。
另外,所述催化燃烧装置还具有在所述燃烧室下游侧设置的热交换部,所述燃烧室也可位于所述热交换部之上。
本发明催化燃烧装置的另一个技术方案具有:设有使燃料与空气的混合气体燃烧的多个连通孔的催化体;放置所述催化体、设有与催化体的混合气体流动方向的上游侧面相对配置的辐射受热板的燃烧室;在辐射受热板上设置的第1热介质流路;在催化体的流动方向的下游设置的、设有多个翅片的第2热介质流路;在翅片之间设置的排气路径;多个翅片配置在与催化体的至少两端部相对的位置上。
在这种结构中,例如通过将设置翅片的间隔做短或将流动方向的长度做长,使来自热介质下游面的辐射可大致全量辐射到翅片与第2热介质流路上。
接着,举出如下所述的本发明作用的例子。
一般,催化燃烧装置的催化体的上游部在最高温状态的条件下进行燃烧,利用来自高温的催化体上游面大量的辐射放热。
因此,外观的催化体的表面积使用宽大板状的催化体,在与其催化体相对的位置设置辐射受热部,可用辐射受热部接受来自催化体表面的大量的辐射传热。在受热的辐射受热部因紧贴或内藏有热介质流路而传热到热介质流路,再与流路内的热介质进行热交换。
这里,由于向辐射受热部的传热是辐射传热,故可从催化体整体均匀吸热。因此,由于在通过直接热传导从催化体的一部分吸热时产生的温度是均匀的,故可保持着稳定的燃烧状态而将催化体上大量的燃烧热量传到热介质。另外,由于通过辐射受热部产生的充分的热交换,可降低催化体最高温度部的上游面的温度,并可使催化体不上升到耐热界限温度地将燃烧量增大。因此,可实现使用热介质进行热交换的催化燃烧装置的小型化。
此外,使与板状催化体的两面相对而设置第1及第2辐射受热部,在用第1及第2辐射受热部捕捉来自催化体两面的辐射、进行热交换的同时,因用第1及第2辐射受热部构成催化燃烧装置外壁,故可较低地保持催化燃烧装置外壁的温度。因此,可减少因来自催化燃烧装置外壁的自然对流放热或辐射放热带来的放热损失,从而可提高热交换率。
另外,由于通过催化体向第2辐射受热部放热,降低与其相对一侧的催化体的温度,且通过催化体内的热传导也降低与第1辐射受热部相对一侧的催化体的温度,故可更增大燃烧量。因此,可进一步实现热交换率较高的催化燃烧装置的小型化。
另外,由于在燃烧室的下游侧设置第2催化体,也可用辐射受热部接受来自第2催化体的辐射热,作为催化燃烧装置可进一步提高热交换率。同时,可使从第1催化体排出的一些未燃烧成分进行燃烧,提供排气特性良好的催化燃烧装置。
此外,由于在辐射受热部的表面设置辐射吸收层,可用辐射受热部非常高效率地接受来自催化体表面的辐射,故可进一步提高热交换率。
在回收由催化体产生的燃烧气体中的显热用的热交换部之上配置催化体,即使在任何条件下在热交换部上产生凝结水,凝结水也可从热交换部落到排气方向的下方而排向燃烧器的外部。
因此,不会弄湿催化体而影响燃烧状态,可保持稳定的燃烧状态。这里,在火焰燃烧时在燃烧气体中含有NOx,凝结水的pH值是3以下,但在催化燃烧时基本上不含NOx,在凝结水中基本上只含有燃烧气体中的CO2及H2O的溶解成分。因此,其pH值是6,也不会因凝结水而腐蚀热交换器。
由此,可进行充分的热交换,且可回收燃烧气体中的潜热,从而可提供热交换率非常高的催化燃烧装置。
附图的简单说明
图1是本发明第1实施例的催化燃烧装置的结构图。
图2是本发明第2实施例的催化燃烧装置的结构图。
图3是本发明第3实施例的催化燃烧装置的结构图。
图4是本发明第4实施例的催化燃烧装置的结构图。
图5是本发明第5实施例的催化燃烧装置的结构图。
图6是本发明第6实施例的催化燃烧装置的结构图。
图7是本发明第7实施例的催化燃烧装置的结构图。
图8是表示所述第5实施例的催化燃烧装置中翅片安装状态的另一例子的图。
图9是现有的催化燃烧装置的结构图。符号说明
7催化体
10热介质流路
11辐射受热板
12热介质流路
13辐射受热板
14第1催化体
15第2催化体
16高辐射吸收层
17铜管
18辐射吸收层
19辐射受热板
20铜管
21翅片
22排气路径
23辐射吸收层
24热交换器
实施发明的最佳形态
下面,就本发明的实施例参照附图进行说明。
关于本发明第1实施例的催化燃烧装置,参照其结构图图1进行说明。其具有控制燃气供给量的燃料供给阀1和控制空气供给量的空气供给阀2,并与预混合室3连接。在预混合室3的下游设有预热燃烧器4,再在下游设有外观的表面积宽大的以板状陶瓷蜂窝为基体的催化体7,并连向排气口8。
在与催化体7的上游面相对的位置具有紧贴热介质流路10的辐射受热板11。
在上述结构中,由燃料供给阀1供给的燃气与由空气供给阀2供给的空气在预混合室3混合而被供给到预热燃烧器4。通过预热燃烧器4附近的点火装置5点火,在预热燃烧器4上形成火焰,利用由火焰产生的高温气体使催化体7升温。此时,在热介质流路10流动有热介质。若催化体7成为具有活性的温度,则一旦停止由燃料供给阀1供给的燃气就熄火。此后马上通过燃料供给阀1供给燃气,用催化体7开始催化燃烧。
热介质在流过热介质流路10之间吸收大量的热升温成为高温的热介质。利用该热介质,就可仅加热特定的物质或场所进行制暖。例如,若将热介质直接利用水,则可实现热水器,另外,若在地板下面围上的配管中流动热介质,则可用作埋式采暖设备。
在催化燃烧时,板状的催化体7的上游面因燃烧热量而成为800℃~850℃的高温状态,并从催化体7的上游面进行大量的辐射放热。由于在与催化体7上游面相对的位置上设置辐射受热板11,故辐射受热板11受到来自催化体7的大量的辐射热。又由于在辐射受热板11上紧贴热介质流路10并流动着热介质,故辐射受热板11所吸收的热量通过热传导而传热到热介质,使热介质升温。
这里,在本结构中,由于从催化体7向辐射受热板11的传热通过辐射进行,并可从催化体7表面整体均匀吸热,所以,即使大量吸热,催化体7的表面温度也均匀。若使催化体7的热量用直接热传导进行传热,则吸热部分附近的催化温度下降,在催化体7上产生温度不均,从而产生燃烧状态不稳定的可能性。
因此,通过使用辐射受热板11,就不会影响催化体的燃烧状态,可将燃烧热量传到热介质。
另外,如上所述,由于来自催化体7上游面的辐射热基本上传热到热介质,故受热部的辐射受热板11成为较低的温度。因此,催化体7从上游面将大量的燃烧热量进行辐射放热,催化体7上游面的温度下降。由于在催化燃烧时催化体上游部的温度最高,故通过大量的辐射放热,催化体7的最高温度就下降。
因此,即使增大燃烧量,催化体7也难以升温到耐热界限温度,故可增大燃烧量,从而对燃烧量可实现小型化的催化燃烧装置。
就本发明第2实施例的催化燃烧装置,参照其结构图图2进行说明。本实施例中的催化燃烧装置,在催化体7的下游面相对的位置上也具有紧贴热介质流路12的辐射受热板13。
在催化燃烧时,由于催化体7的下游面也处于高温状态,故通过在接受来自该催化体7下游面辐射的位置上设置辐射受热板13,来自催化体7下游面的辐射放热也可与热介质进行热交换,可提高作为催化燃烧装置的热交换率。另外,由于通过该热交换催化体7下游面的温度下降,故催化体7的上游面的温度也下降。又由于可增加燃烧量,所以可使催化燃烧装置进一步小型化。
此外,由于除了辐射受热板11与13构成燃烧室6的壁、催化体7的燃烧热大部分还与热介质进行热交换,故燃烧室6的壁温不怎么上升。因此,基本上不存在因来自催化燃烧装置壁的自然对流热传递及辐射带来的放热损失,故可提高热交换率。
就本发明第3实施例的催化燃烧装置,参照其结构图图3进行说明。本实施例中的催化燃烧装置具有以板状陶瓷蜂窝为基体的第1催化体14和在辐射受热板13下游以板状陶瓷蜂窝为基体的第2催化体15。
在催化燃烧时通过来自第1催化体14的高温气体,使第2催化体15升温,成为具有催化活性的温度。因此,在来自第1催化体14的燃烧气体中含有的一些未燃烧成分用第2催化体15进行完全燃烧,作为不含未燃烧成分的气体从排气口8排出。
此时,第2催化体15的上游面也通过来自第1催化体14的燃烧气体与第2催化体15的燃烧热成为高温状态,并从第2催化体15的上游面进行辐射放热。
然而,由于在第2催化体15的上游侧设有辐射受热板13,故来自第2催化体15的上游面的辐射热被辐射受热板13接受,并与热介质进行热交换。
由此,由于第1催化体14的上游面与下游面再可将来自第2催化体15上游面的辐射放热与热介质进行热交换,故可实现热交换率非常高的催化燃烧装置。
就本发明第4实施例的催化燃烧装置,参照其结构图图4进行说明。本实施例中的催化燃烧装置具有在辐射受热板11内侧表面涂上黑色涂料的高辐射吸收层16。
由于黑色涂料的辐射系数是0.9~1.0,故来自催化体7上游面的辐射热极有效地被高辐射吸收层16接受,传热到辐射受热板11并与热介质进行热交换,因此,可提高热交换率。由于通过提高热交换率,从催化体7上游面向辐射受热板11的传热量即来自催化体7上游面的放热量增加,故催化体7上游面的温度下降。
由此,可在耐热界限温度以下增大燃烧量,故可使催化燃烧装置小型化。
此外,不仅辐射受热板11,而且在燃烧室6的内面也设置高辐射吸收层,若提高与辐射受热板11的热传导性,则能可靠地用在催化体7上游侧整个面形成的高辐射吸收层来接受来自催化体7上游面的辐射放热并与热介质进行热交换。
另外,作为高辐射吸收层16,既可象上述黑色涂料的涂复或电镀等那样在辐射受热板11表面上形成辐射系数较大的新的层,也可通过喷砂等在辐射受热板表面上形成细密的凹凸形状提高辐射系数。
另外,在上述第1至第4实施例中,若在催化体7或第2催化体15下游设置回收气体中显热的翅片管式之类的热交换器,使热介质流动以进行排热回收,则可进一步提高热交换率。
就本发明第5实施例的催化燃烧装置,参照其结构图图5进行说明。本实施例中的催化燃烧装置,具有控制燃气供给量的燃料供给阀1与控制空气供给量的空气供给阀2,并与预混合室3连接。在预混合室3下游具有预热燃烧器4,且连向燃烧室6。在燃烧室6设有以具有多个连通孔的陶瓷蜂窝为载体的催化体7和在催化体7上游面7a的相对位置上紧贴第1热介质流路的流动水的铜管17并设置辐射吸收层18的辐射受热板19。此外,在燃烧室6的出口固定多个翅片21,并设有与铜管17连接的第2热介质流路的铜管20。所述燃烧室的出口连向排气口8。另外,翅片21设置在铜管20上,并以狭小的间隔设置翅片21作成排气路径22的状态。
在上述结构中,由燃料供给阀1供给的燃气与由空气供给阀2供给的空气在预混合室3混合被供给到预热燃烧器4。此时,铜管17与20中流动着水。通过预热燃烧器4附近的点火装置5点火,在预热燃烧器4上形成火焰,并利用由火焰产生的高温气体使催化体7升温。若催化体7成为具有活性的温度,则一旦停止由燃料供给阀1供给的燃气就熄火。此后马上通过燃料供给阀1供给燃气,用催化体7开始催化燃烧。由催化体7排出的高温气体通过排气路径22而从排气日8排出。
在稳定燃烧时,催化体7的上游面7a温度成为800℃~850℃,下游面温度成为600℃~750℃,从催化体7的上、下游面进行大量的辐射放热。这里,由于翅片13以十分狭小的间隔设置,故来自催化体7下游面的大部分辐射直接辐射在翅片21或铜管20上。这里,因翅片21一般是铜,故辐射系数是0.2~0.3。因此,一部分辐射传热到翅片21或铜管20并与水进行热交换,而一部分辐射被翅片21或铜管20的表面反射辐射到催化体7下游面。由于抑制当辐射到催化体7下游面时向催化体7内下游侧的热传导,故使催化体7整体升温。因此,高温的催化体7上游面7a进一步成为高温,则从催化体7上游面7a产生大量的辐射。由于在与催化体7上游面7a相对的位置上具有在内面设置辐射吸收层18、使铜管17紧贴的辐射受热板19,故来自催化体7上游面7a的辐射被传热到辐射受热板19与水进行热交换。即,被翅片21或铜管20反射的辐射热也与水进行热交换。另外,用催化体7上的燃烧热产生的高温气体,在流过排气路径22时,通过与翅片21或铜管20热传递而传热,并与水进行热交换。因此,基本上不会使来自催化体7表面的辐射放热到催化燃烧装置外而使其进行热交换,从而可实现热交换率较高的催化燃烧装置。
此外,也可将翅片21向流动方向再做长,使来自催化体7下游面的辐射大致全量辐射到铜管或翅片上。
另外,翅片21也可仅配置在与所述催化体7的至少两端部相对的位置上。这就解决了在现有技术中所叙述那样的、催化体支架附近的催化体的温度下降、局部催化活性下降且含有未燃烧成分的气体被排出的缺点。
另外,在上述实施例中,是将翅片21面对催化体7的面而垂直方向配置的,但不限于此,例如如图8(a)所示,也可将翅片21面对催化体7而做成放射状配置的结构,或也可将所有的翅片21同方向倾斜配置,或如图(b)所示,也可使翅片21在中途弯曲。
就本发明第6实施例的催化燃烧装置,参照其结构图图6进行说明。在上述第5实施例的结构中再在翅片21与铜管20的表面设置辐射吸收层23。
在本实施例中,从催化体7下游面辐射到翅片21及铜管20的辐射被辐射吸收层23高效率地吸收,并与水进行热交换。因此,来自催化体7下游面的辐射热大致全量被翅片21与铜管20吸收,可进行热交换,从而可实现热交换率较高的催化燃烧装置。
此外,作为辐射吸收层23,也可将辐射系数较高的黑色涂料较薄地涂在翅片21与铜管20表面上,也可用喷砂处理等做成粗糙的表面状态提高辐射系数。
就本发明第7实施例的催化燃烧装置,参照其结构图图7进行说明。在与催化体7上游面相对的位置上,具有设有热介质流路17的辐射受热板19,在催化体7的下方设置可流动热介质的翅片管式的热交换器24。
这里,大家知道,催化燃烧在排气中基本上不含NOx。因此,在凝聚排气时,在火焰燃烧的情况下冷凝水的pH值小于3,由于催化燃烧时在冷凝水中基本上不含硝酸,故pH值在6左右。因此,即使在热交换器24的表面凝结在燃烧气体中所含的水分,也不会在催化燃烧时因凝结水而腐蚀热交换器表面。
本实施例中的催化燃烧装置是积极利用该技术方案的,由排气热交换器排出的气体温度为排气热交换器中的露点温度以下。当做成这种结构时,流入热交换器24的燃烧气体在热交换器24表面进行热交换时在热交换表面进行凝结。如前所述,由于经催化燃烧的燃烧气体的冷凝水的pH值在6左右,故即使在热交换器24的表面附着冷凝水也无任何问题。因此,当将由催化燃烧而排出的燃烧气体用热交换器24进行热交换时,除了现有的显热交换外,由于也可进行潜热交换,故与现有的火焰燃烧方式相比可提高热交换率。
参照图7说明具有上述效果的催化燃烧装置的工作原理。
由催化体7产生的燃烧气体进入热交换器24被进行热交换而排到下方。即使在热交换器24上产生冷凝水,也因重力落到燃烧气体的排出方向的下方,故不会影响处于热交换器24上方的催化体7的燃烧状态。因此,可用热交换器24进行充分的热交换,燃烧气体中的H2O的潜热也可进行热交换。另外,由于在催化体7上游侧通过辐射受热板19与来自催化体上游面的辐射热进行热交换,故可作为燃烧器整体而实现热交换率非常高的催化燃烧装置。
此外,在热交换器24的下方,也可设置集中排出冷凝水的排水管的流路。
另外,在从上述第1实施例至第7实施例中,作为点火装置也可在催化体(第1催化体)下游侧设置点火装置。在这种情况下,点火时在催化体下游面形成火焰,通过火焰使催化体升温。当催化体成为具有活性的温度时就自然开始催化燃烧,同时,催化体下游面的火焰因供给由催化燃烧产生的气体而熄火。因此,若将点火装置设置在催化体的下游侧,则可不控制燃料供给而从自然与预热时的火焰燃烧转到催化燃烧。此外,作为点火装置,也可使用陶瓷加热器将预混合气局部混合成着火温度以上,也可使用点火器,在催化体框架或催化燃烧装置壁等上使用电火花点火方式。
工业上利用的可能性
从上述得知,本发明通过使用板状的催化体,用设置热介质流路的辐射受热板吸收来自催化体表面的大量辐射热而与热介质进行热交换,故可使热交换率较高的催化燃烧装置实现小型化。
此外,通过将来自催化体下游面的辐射热大致全量辐射到热交换部的翅片与热介质流路上,故可进一步实现热交换率较高的催化燃烧装置。
此外,若在热交换器上方设置催化体,即使产生冷凝水,也可保持稳定的燃烧状态,若再充分进行热交换,则可通过热交换器回收燃烧气体中的H2O的潜热,从而可实现热交换率非常高的催化燃烧装置。
Claims (10)
1.一种催化燃烧装置,具有:
供给燃料的燃料供给部;
供给燃烧用空气的空气供给部;
将由所述燃料供给部供给的燃料与所述空气供给部供给的空气进行混合而制成混合气体的预混合室;
将所述混合气体催化燃烧的、用多孔质体构成的板状催化体;
在所述预混合室下游侧设置的、放置所述板状催化体、将与所述催化体两面内至少一侧的面相对配置的第1辐射受热部做成本身侧壁一部分的燃烧室,所述第1辐射受热部紧贴或内藏有热介质流路,
其特征在于,所述燃烧室将与所述催化体两面内的另一侧的面相对配置的第2辐射受热部做成本身侧壁一部分,
第2辐射受热部紧贴或内藏有热介质流路。
2.如权利要求1所述的催化燃烧装置,其特征在于,在所述燃烧室出口具有用多孔质体构成的板状的第2催化体。
3.如权利要求1所述的催化燃烧装置,其特征在于,在燃烧室内部的第1辐射受热部表面上设有辐射吸收层。
4.如权利要求1所述的催化燃烧装置,其特征在于,在燃烧室内部的第2辐射受热部表面上设有辐射吸收层。
5.如权利要求1所述的催化燃烧装置,其特征在于,所述催化燃烧装置还具有在所述燃烧室下游侧设置的热交换部,所述燃烧室位于所述热交换部之上。
6.一种催化燃烧装置,具有:
设有使燃料与空气的混合气体燃烧的多个连通孔的催化体;
放置所述催化体、设有与所述催化体的所述混合气体流动方向的上游侧面相对配置的辐射受热板的燃烧室;
在所述辐射受热板上设置的第1热介质流路,
其特征在于,在所述催化体的流动方向的下游设置设有多个翅片的第2热介质流路,
在所述翅片之间设置排气路径,
所述多个翅片配置在与所述催化体的至少两端部相对的位置上。
7.如权利要求6所述的催化燃烧装置,其特征在于,所述翅片相对催化体面被倾斜地设置。
8.如权利要求6或7所述的催化燃烧装置,其特征在于,在所述热介质流路及翅片表面上设有辐射吸收层。
9.如权利要求1所述的催化燃烧装置,其特征在于,
出所述热交换部排出的排气温度是所述热交换器的露点温度以下。
10.如权利要求6所述的催化燃烧装置,其特征在于,
由所述热交换部排出的排气温度是所述热交换器的露点温度以下。
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