DE202020104024U1 - Gas generation plant for the generation of hydrogen-containing synthesis gas - Google Patents
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Abstract
Gaserzeugungsanlage (10) zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas (12) mit einem Gaserzeugungsreaktor (14) mit einer größeren Höhe (HR) als Breite (BR), wobei der Gaserzeugungsreaktor (14) aufweist:
a. einen Gaseinlass (16) zur Aufnahme von überhitztem Wasserdampf (18);
b. einen oberen Gasauslass (20a) zur Abgabe eines Gas-Wasserdampf-Gemisches (22);
c. einen unteren Gasauslass (20b) zur Abgabe von Synthesegas (12),
dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Längsachse (LA) des Gaserzeugungsreaktors (14)
d. eine Einlassschleuse (28a) zur Aufnahme von Rohmaterial (30) in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors (14) an einem oberen Ende (26a) des Gaserzeugungsreaktors (14) vorhanden ist;
e. eine Auslassschleuse (28b) zur Abgabe von Restmaterial (32) in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors (14) an einem unteren, dem oberen Ende (26a) gegenüberliegenden Ende (26b) des Gaserzeugungsreaktors (14) vorhanden ist, wobei der Gaseinlass (16) näher an dem unteren Ende (26b) als der untere Gasauslass (20b) angeordnet ist und der obere Gasauslass (20a) näher an dem oberen Ende (26a) als der untere Gasauslass (20b) angeordnet ist und der Abstand A5 zwischen dem oberen Gasauslass (20a) und dem unteren Gasauslass (20b) größer ist als der Abstand A6 zwischen dem unteren Gasauslass (20b) und dem Gaseinlass (16).
Gas generating plant (10) for generating hydrogen-containing synthesis gas (12) with a gas generating reactor (14) with a greater height (H R ) than width (B R ), the gas generating reactor (14) having:
a. a gas inlet (16) for receiving superheated water vapor (18);
b. an upper gas outlet (20a) for discharging a gas-water vapor mixture (22);
c. a lower gas outlet (20b) for discharging synthesis gas (12),
characterized in that along the longitudinal axis (LA) of the gas generation reactor (14)
d. an inlet lock (28a) for receiving raw material (30) in solid form is present at an upper end (26a) of the gas generation reactor (14), with the gas generation reactor (14) being gas-tight;
e. an outlet sluice (28b) for discharging residual material (32) in solid form under gas sealing of the gas generation reactor (14) at a lower end (26b) of the gas generation reactor (14) opposite the upper end (26a), the gas inlet (16 ) is arranged closer to the lower end (26b) than the lower gas outlet (20b) and the upper gas outlet (20a) is arranged closer to the upper end (26a) than the lower gas outlet (20b) and the distance A 5 between the upper gas outlet (20a) and the lower gas outlet (20b) is greater than the distance A 6 between the lower gas outlet (20b) and the gas inlet (16).
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft eine Gaserzeugungsanlage zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas aus kohlenwasserstoffreichem Rohmaterial mit einem Gaserzeugungsreaktor mit einer größeren Höhe als Breite, wobei der Gaserzeugungsreaktor aufweist:
- a. einen Gaseinlass zur Aufnahme von überhitztem Wasserdampf;
- b. einen oberen Gasauslass zur Abgabe eines Gas-Wasserdampf-Gemisches ;
- c. einen unteren Gasauslass zur Abgabe von Synthesegas.
- a. a gas inlet for receiving superheated water vapor;
- b. an upper gas outlet for discharging a gas-water vapor mixture;
- c. a lower gas outlet for the discharge of synthesis gas.
Eine solche Vorrichtung ist auch als down-draft gasifier bekannt.Such a device is also known as a down-draft gasifier.
Aus dem Stand der Technik sind Gaserzeugungsreaktoren zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Synthesegas aus kohlenwasserstoffreichem Rohmaterial bekannt.Gas generating reactors for generating hydrogen-containing synthesis gas from raw material rich in hydrocarbons are known from the prior art.
In der
Aus der
Die bekannten Verfahren erfolgen unter vergleichsweise hohem Energie- und Materialverbrauch.The known processes are carried out with a comparatively high consumption of energy and material.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gaserzeugungsanlage bereitzustellen, mit der das Gaserzeugungsverfahren mit geringerem Materialaufwand und mit verringertem Energieverbrauch durchgeführt werden kann.It is the object of the present invention to provide a gas generation system with which the gas generation process can be carried out with less expenditure on materials and with reduced energy consumption.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Gaserzeugungsanlage nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a gas generation system according to claim 1. Advantageous refinements result from the dependent claims referring back.
Die erfindungsgemäße Gaserzeugungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Längsachse des Gaserzeugungsreaktors:
- d. eine Einlassschleuse zur Aufnahme von Rohmaterial in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors an einem oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors vorhanden ist;
- e. eine Auslassschleuse zur Abgabe von Restmaterial in fester Form unter Gasabdichtung des Gaserzeugungsreaktors an einem unteren, dem oberen Ende gegenüberliegenden Ende des Gaserzeugungsreaktors vorhanden ist,
- d. an inlet lock for receiving raw material in solid form under gas sealing of the gas generating reactor is provided at an upper end of the gas generating reactor;
- e. an outlet sluice for discharging residual material in solid form is present at a lower end of the gas generation reactor opposite the upper end, with the gas generation reactor being gas-sealed,
Überhitzter Wasserdampf wird durch den Gaseinlass am unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors eingeführt und steigt zum oberen Ende auf. Unter überhitztem Wasserdampf wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Wasserdampf mit einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur in dem Gaserzeugungsreaktor verstanden. Der Wasserdampf enthält insbesondere keine Tröpfchen. Der Wasserdampf, und insbesondere der Gaserzeugungsreaktor, weist dabei ein Temperaturgefälle mit einer höheren Temperatur am unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors und einer tieferen Temperatur am oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors auf. Das kohlenwasserstoffreiche Rohmaterial wird durch die Einlassschleuse am oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt. Anschließend wird das Rohmaterial in Richtung auf das untere Ende befördert, insbesondere durch die Schwerkraft. Dabei durchläuft das Rohmaterial eine Trocknungszone mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial getrocknet wird, eine Karbonisierungszone, mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial, insbesondere unter Abspaltung von Wasser, in ein kohlenstoffhaltiges Karbonisierungsprodukt, insbesondere Kohle umgewandelt wird, und eine Umwandlungszone mit einer Temperatur, bei der das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt mindestens teilweise mit dem Wasserdampf in ein Synthesegas umgewandelt wird. Rückstände aus der Erzeugung des Synthesegases, insbesondere mit nicht kohlestoffwasserhaltigen Stoffen, werden als Asche aus einer Auslassschleuse an dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors aus dem Gaserzeugungsreaktor abgegeben. Vorzugsweise befindet sich die Umwandlungszone zwischen dem unteren Gasauslass und dem Gaseinlass. Insbesondere wird das Synthesegas in Bezug auf die vertikale Ausrichtung oder die Ausrichtung des Gaserzeugungsreaktors nach unten geleitet. Dadurch wird unter anderem die Einleitung des Synthesegases in einen Gastank erleichtert. Das Synthesegas weist insbesondere molekularen Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wassermoleküle und/oder Methan auf.Superheated water vapor is introduced through the gas inlet at the bottom of the gas generating reactor and rises to the top. In the context of the invention, superheated steam is understood to mean, in particular, steam at a temperature above the boiling point in the gas generating reactor. In particular, the water vapor does not contain any droplets. The water vapor, and in particular the gas generation reactor, has a temperature gradient with a higher temperature at the lower end of the gas generation reactor and a lower temperature at the upper end of the gas generation reactor. The hydrocarbon-rich raw material is introduced into the gas generating reactor through the inlet lock at the top of the gas generating reactor. The raw material is then conveyed towards the lower end, in particular by gravity. The raw material passes through a drying zone at a temperature at which the raw material is dried, a carbonization zone at a temperature at which the raw material, in particular with separation of Water, is converted into a carbon-containing carbonation product, in particular coal, and a conversion zone with a temperature at which the carbon-containing carbonation product is at least partially converted with the water vapor into a synthesis gas. Residues from the generation of the synthesis gas, in particular with substances not containing carbon dioxide, are discharged from the gas generation reactor as ash from an outlet lock at the lower end of the gas generation reactor. The conversion zone is preferably located between the lower gas outlet and the gas inlet. In particular, the synthesis gas is directed downward with respect to the vertical orientation or the orientation of the gas generating reactor. Among other things, this facilitates the introduction of the synthesis gas into a gas tank. The synthesis gas has, in particular, molecular hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water molecules and / or methane.
Vorteilhaft kann durch die Verwendung mehrerer Zonen mit ansteigender Temperatur die Erzeugung von Synthesegas bei einer geringeren Temperatur des Wasserdampfs erfolgen. Die Verwendung von Schüttgut als Wärmeträger, das in einem Kreislauf bewegt wird, ist nicht notwendig. Die Entnahme des Synthesegases erfolgt durch den unteren Gasauslass, der sich im Bereich der Umwandlungszone befindet. Dadurch wird im Vergleich zum Stand der Technik die Reinheit des entnommenen Synthesegases erhöht, insbesondere der Staub- und Teergehalt des entnommenen Synthesegases gesenkt, wodurch der Aufwand zum Reinigen des Synthesegases erniedrigt wird. Das Synthesegas wird dem Reaktor zur Gaserzeugung im Bereich der höchsten Temperatur entnommen, wodurch es zur Wiederverwendung zum Heizen besonders geeignet ist. Der untere Gasauslass begrenzt vorzugsweise die Umwandlungszone oben in axialer Richtung, sodass das Synthesegas aus der Umwandlungszone in Richtung des Gasauslasses aufsteigt. Die Temperatur des Gemisches von Wasserdampf und anderer in dem Gaserzeugungsreaktor enthaltener Gase, insbesondere Kohlenwasserstoffen, beträgt in der Trocknungszone insbesondere bis zu 150°C, in der Karbonisierungszone insbesondere bis zu 450°C, und in der Umwandlungszone insbesondere bis zu 900°C, bevorzugt bis zu 1300°C. Die Temperatur kann in der Umwandlungszone mehr als 1300°C betragen.By using a plurality of zones with increasing temperature, synthesis gas can advantageously be generated at a lower temperature of the steam. The use of bulk material as a heat transfer medium that is moved in a circuit is not necessary. The synthesis gas is extracted through the lower gas outlet, which is located in the area of the conversion zone. As a result, compared to the prior art, the purity of the synthesis gas withdrawn is increased, in particular the dust and tar content of the synthesis gas withdrawn is reduced, which reduces the cost of cleaning the synthesis gas. The synthesis gas is taken from the reactor for gas generation in the region of the highest temperature, which makes it particularly suitable for reuse for heating. The lower gas outlet preferably delimits the conversion zone at the top in the axial direction, so that the synthesis gas rises from the conversion zone in the direction of the gas outlet. The temperature of the mixture of water vapor and other gases contained in the gas generation reactor, especially hydrocarbons, is in the drying zone in particular up to 150 ° C, in the carbonation zone in particular up to 450 ° C, and in the conversion zone in particular up to 900 ° C, preferably up to 1300 ° C. The temperature in the conversion zone can be more than 1300 ° C.
Die Einlassschleuse und die Auslassschleuse umfassen insbesondere Schleusentore zur Abdichtung der Schleusen und Schneckenförderer zum Transport des Rohmaterials oder der Asche. Die Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich auf die vertikale Richtung, insbesondere die Richtung der Schwerkraft. Die Länge des Gaserzeugungsreaktors ist größer als seine Breite, wobei der Gaserzeugungsreaktor insbesondere mit einer vertikalen Ausrichtung aufgestellt ist. Er weist vorzugsweise die Form eines Zylinders auf. Bevorzugt ist der Gaserzeugungsreaktor mit einer zylindrischen Kammer ausgebildet. Die Einlassschleuse und die Auslassschleuse sind bevorzugt an der Kammer ausgebildet.The inlet lock and the outlet lock include, in particular, lock gates for sealing the locks and screw conveyors for transporting the raw material or the ash. The terms “up” and “down” refer to the vertical direction, especially the direction of gravity. The length of the gas generating reactor is greater than its width, the gas generating reactor being set up in particular with a vertical orientation. It preferably has the shape of a cylinder. The gas generation reactor is preferably designed with a cylindrical chamber. The inlet lock and the outlet lock are preferably formed on the chamber.
Die Trocknung erfolgt insbesondere durch Verdunstung oder Verdampfung des Rohmaterials. Insbesondere bilden Wasserdampf, aufsteigende Anteile des Synthesegases und flüchtige Kohlenstoffe ein Gas-Wasserdampf-Gemisch in dem Gaserzeugungsreaktor. Die Karbonisierung oder Erzeugung von kohlenstoffhaltigem Material erfolgt insbesondere bei Normaldruck unter Einwirkung des erhitzten Wasserdampfs durch Abspaltung von Wassermolekülen von einem verbleibenden kohlenstoffhaltigen Karbonisierungsprodukt, insbesondere Kohle, zum Beispiel Braunkohle. Die Erzeugung von Synthesegas erfolgt insbesondere durch eine Reaktion des Kohlenstoffs oder der Kohle mit Wassermolekülen in dem überhitzten Wasserdampf, wodurch molekularer Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid als Bestandteile des Synthesegases erzeugt wird.The drying takes place in particular by evaporation or evaporation of the raw material. In particular, water vapor, rising fractions of the synthesis gas and volatile carbons form a gas-water vapor mixture in the gas generation reactor. The carbonization or production of carbon-containing material takes place in particular at normal pressure under the action of the heated water vapor by splitting off water molecules from a remaining carbon-containing carbonation product, in particular coal, for example lignite. Synthesis gas is generated in particular by a reaction of the carbon or coal with water molecules in the superheated water vapor, as a result of which molecular hydrogen, carbon monoxide and / or carbon dioxide is generated as components of the synthesis gas.
Die Gaserzeugungsanlage dient insbesondere zum Vergasen von kohlenwasserstoffhaltigen Produkten und Materialien wie Kohle, Ölschlamm, Biomasse, kommunale Abfälle, Kunststoffe, Altreifen, Altöle sowie Gemische aus den genannten Stoffen, die durch thermische Umformung zur Gewinnung von wasserstoffreichem Synthesegas beitragen. Die Gaserzeugungsanlage lässt sich somit auch zu der industriellen Erzeugung von Wasserstoff verwenden. Ein großer Anteil des Kohlenstoffs befindet sich in dem Restmaterial, das aus der Auslassschleuse aus dem Gaserzeugungsreaktor entfernt wird. Zu dem Restmaterial, auch als Restprodukte bezeichnet, gehören auch Rauchgase, die bei der Verbrennung von Brennstoff, insbesondere in Heizelementen, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen. Diese weisen nur ein vergleichsweise geringes Volumen an Kohlenstoffdioxid auf, da die Verbrennung nur zum Erhitzen der Außenhaut beim Anfahren und zum Beibehalten der erforderlichen Temperatur des Gaserzeugungsreaktors dient.The gas generation plant is used in particular to gasify hydrocarbon-containing products and materials such as coal, oil sludge, biomass, municipal waste, plastics, used tires, used oils and mixtures of the substances mentioned, which contribute to the production of hydrogen-rich synthesis gas through thermal transformation. The gas generation plant can thus also be used for the industrial production of hydrogen. A large proportion of the carbon is in the residual material that is removed from the gas generation reactor through the outlet lock. The residual material, also referred to as residual products, also includes flue gases that arise during the combustion of fuel, in particular in heating elements, within the scope of the method according to the invention. These only have a comparatively small volume of carbon dioxide, since the combustion only serves to heat the outer skin when starting up and to maintain the required temperature of the gas generating reactor.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Gaserzeugungsverfahren und eine Gaserzeugungsanlage, in der unter der Verwendung von überhitztem Wasserdampf kohlenwasserstoffhaltige Abfälle verwertet werden. Die nach der thermischen Verwertung in dem Gaserzeugungsverfahren anfallenden Rückstände oder Reststoffe bzw. das Restmaterial können insbesondere für den Straßenbau weiterverwendet werden. Der überhitzte Wasserdampf dient vorzugsweise als Katalysator zum Ausscheiden von schädlichen Abgasen und als Reinigungsmittel gegen Verunreinigungen in der Gaserzeugungsanlage bzw. Vergasungsanlage. Die Gaserzeugungsanlage ist in hohem Maß selbstreinigend. Der Gaserzeugungsreaktor ist insbesondere ununterbrochenen be- und entladbar. Die Temperatur des Wasserdampfs bei Eintritt in den Gaserzeugungsreaktor liegt insbesondere bei 900°C bis 1300°C, vorzugsweise bei 1000°C. Dadurch werden ein großer Heizwert des Synthesegases und ein hoher Wirkungsgrad erzielt, insbesondere weist das Synthesegas eine vergleichsweise hohe thermische Energie auf. Die Gaserzeugungsanlage kann einen oder mehrere Wärmetauscher aufweisen, unter anderem, um Wärme von dem Synthesegas auf den Wasserdampf zu übertragen. Die Wärmetauscher sind vorzugsweise aus poröser Keramik oder Blech ausgebildet.In particular, this invention relates to a gas generating method and a gas generating plant in which waste containing hydrocarbons is recovered with the use of superheated steam. The residues or residual materials or residual material arising after thermal utilization in the gas generation process can be reused in particular for road construction. The superheated steam is preferably used as a catalyst for the elimination of harmful exhaust gases and as a cleaning agent against impurities in the gas generation plant or gasification plant. The Gas generation plant is to a high degree self-cleaning. The gas generating reactor can in particular be loaded and unloaded continuously. The temperature of the steam on entry into the gas generating reactor is in particular from 900 ° C to 1300 ° C, preferably 1000 ° C. As a result, the synthesis gas has a high calorific value and a high degree of efficiency; in particular, the synthesis gas has a comparatively high thermal energy. The gas generating plant can have one or more heat exchangers, inter alia, in order to transfer heat from the synthesis gas to the water vapor. The heat exchangers are preferably made of porous ceramic or sheet metal.
Der obere Gasauslass, insbesondere für den Austritt des Gas-Wasserdampf-Gemisches, das insbesondere Wasserdampf und/oder Rauchgase und/oder Synthesegas und/oder flüchtige Kohlenstoffe aufweist, aus der Trocknungszone, ist vorzugsweise in einer Ladezone oberhalb der Trocknungszone ausgebildet.The upper gas outlet, in particular for the exit of the gas-water vapor mixture, which has in particular water vapor and / or flue gases and / or synthesis gas and / or volatile carbons, from the drying zone, is preferably formed in a loading zone above the drying zone.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Gaserzeugungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaserzeugungsreaktor ein Synthesegaskollektor zur Aufnahme des Synthesegases angeordnet ist, der mit dem unteren Gasauslass zur Abgabe des Synthesegases fluidisch verbunden ist. Der Synthesegaskollektor ist vorzugsweise auf der Höhe des unteren Gasauslasses angeordnet, insbesondere in oder an der Umwandlungszone, vorzugsweise oberhalb des Gaseinlasses, in der das Synthesegas erzeugt wird. Dann kann der Synthesegaskollektor das Synthesegas nach der Erzeugung unmittelbar und in reiner, erhitzter Form aufnehmen und an andere Heizelemente und Synthesegasverbraucher weiterleiten.An advantageous embodiment of the gas generation plant is characterized in that a synthesis gas collector for receiving the synthesis gas is arranged in the gas generation reactor, which is fluidically connected to the lower gas outlet for releasing the synthesis gas. The synthesis gas collector is preferably arranged at the level of the lower gas outlet, in particular in or on the conversion zone, preferably above the gas inlet in which the synthesis gas is generated. The synthesis gas collector can then take up the synthesis gas immediately after it has been generated and in pure, heated form and pass it on to other heating elements and synthesis gas consumers.
Vorteilhaft ist der Synthesegaskollektor rohrförmig ausgebildet und/oder an der Innenwand des Gaserzeugungsreaktors vollständig umlaufend angeordnet und/oder ringförmig ausgebildet. Der Synthesegaskollektor weist insbesondere ein Entweichrohr zur Abgabe von Synthesegas aus dem Gaserzeugungsreaktor auf. Durch einen ringförmigen, an der Innenwand des Gaserzeugungsreaktors umlaufenden Synthesegaskollektor wird das Synthesegas gleichmäßig von dem Synthesegaskollektor aufgenommen. Insbesondere weist der Synthesegaskollektor ein Rohr mit darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen auf. Der Synthesegaskollektor kann zusätzlich über nach innen weisende Rohrstücke, insbesondere am Entweichrohr, verfügen, um im Bereich der Längsachse erzeugtes Synthesegas aufzunehmen.The synthesis gas collector is advantageously of tubular design and / or is arranged completely circumferentially on the inner wall of the gas generation reactor and / or is of annular design. The synthesis gas collector has in particular an escape pipe for discharging synthesis gas from the gas generation reactor. The synthesis gas is evenly taken up by the synthesis gas collector through an annular synthesis gas collector that circulates on the inner wall of the gas generation reactor. In particular, the synthesis gas collector has a tube with through openings formed therein. The synthesis gas collector can also have inwardly pointing pipe sections, in particular on the escape pipe, in order to receive synthesis gas generated in the region of the longitudinal axis.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaserzeugungsreaktor ein Dampfgaskollektor zur Abgabe des Gas-Wasserdampf-Gemisches, insbesondere des Wasserdampfs, in den Gaserzeugungsreaktor angeordnet ist, der mit dem Gaseinlass fluidisch verbunden ist. Der Dampfgaskollektor ist vorzugsweise auf der Höhe des Gaseinlasses unterhalb des unteren Gasauslasses in der Umwandlungszone angeordnet, sodass das Synthesegas unterhalb des unteren Gasauslasses erzeugt wird und anschließend in Richtung des unteren Gasauslasses aufsteigt.A preferred embodiment is characterized in that a steam gas collector for discharging the gas / water vapor mixture, in particular the water vapor, into the gas generation reactor is arranged in the gas generation reactor and is fluidically connected to the gas inlet. The steam gas collector is preferably arranged at the level of the gas inlet below the lower gas outlet in the conversion zone, so that the synthesis gas is generated below the lower gas outlet and then rises in the direction of the lower gas outlet.
Bevorzugt ist der Dampfgaskollektor rohrförmig ausgebildet und/oder an der Innenwand des Gaserzeugungsreaktors vollständig umlaufend angeordnet und/oder ringförmig ausgebildet. Der Dampfgaskollektor ist insbesondere am unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors, auch alsGasdampfreaktor bezeichnet, angeordnet. Bevorzugt weist der Dampfgaskollektor ein Rohr mit darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen aus. Der Dampfgaskollektor weist insbesondere ein Injektionsrohr auf, das von dem überhitzten Wasserdampf durchströmt ist. Die Form des Dampfgaskollektors bewirkt eine an dem Umfang des Dampfgaskollektors gleichmäßig verteilte Abgabe des Wasserdampfs zur Erzeugung des Synthesegases.The steam gas collector is preferably of tubular design and / or is arranged completely circumferentially on the inner wall of the gas generation reactor and / or is of annular design. The steam gas collector is arranged in particular at the lower end of the gas generating reactor, also referred to as a gas steam reactor. The steam gas collector preferably has a tube with through openings formed therein. The steam gas collector has in particular an injection pipe through which the superheated water vapor flows. The shape of the steam gas collector causes the steam to be released evenly around the circumference of the steam gas collector to generate the synthesis gas.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfgaskollektor Düsen aufweist, insbesondere mit einer Mehrzahl von Öffnungen. Die Düsen sind insbesondere an dem Dampfgaskollektor entlang, vorzugsweise radialsymmetrisch, angeordnet. Die Düsen sind zum Beispiel als Trichter ausgestaltet, mit einer zur Längsachse des Gaserzeugungsreaktors hin ausgerichteten Verjüngung. Durch die Düsen wird Gas, insbesondere aufweisend den Wasserdampf, beschleunigt in den Gaserzeugungsreaktor abgegeben, sodass es mit erhöhtem Impuls in Richtung zur Längsachse des Gaserzeugungsreaktors strömt. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung des Wasserdampfs bewirkt. Die Öffnungen können entlang der Düsen und/oder an den Spitzen der Düsen ausgebildet sein, um die Gleichmäßigkeit der Verteilung weiter zu verbessern. An advantageous development is characterized in that the steam gas collector has nozzles, in particular with a plurality of openings. The nozzles are in particular arranged along the steam gas collector, preferably radially symmetrically. The nozzles are designed, for example, as funnels, with a taper directed towards the longitudinal axis of the gas generation reactor. Gas, in particular comprising the water vapor, is released into the gas generation reactor in an accelerated manner through the nozzles, so that it flows with increased momentum in the direction of the longitudinal axis of the gas generation reactor. This results in a more even distribution of the water vapor. The openings can be formed along the nozzles and / or at the tips of the nozzles in order to further improve the uniformity of the distribution.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Gaserzeugungsanlage sind durch ein erstes Heizelement gekennzeichnet, wobei das erste Heizelement insbesondere an dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors angeordnet ist. Das erste Heizelement ist insbesondere als Gasbrenner ausgestaltet. Insbesondere dient das erste Heizelement der Erhitzung der Außenhaut des Gaserzeugungsreaktors. Durch das erste Heizelement wird der Gaserzeugungsreaktor, insbesondere an seinem unteren Ende , erhitzt, um die notwendige Temperatur zur Durchführung des Gaserzeugungsverfahrens im Inneren des Gaserzeugungsreaktors bereitzustellen.Preferred embodiments of the gas generation system are characterized by a first heating element, the first heating element being arranged in particular at the lower end of the gas generation reactor. The first heating element is designed in particular as a gas burner. In particular, the first heating element is used to heat the outer skin of the gas generating reactor. The gas generation reactor, in particular at its lower end, is heated by the first heating element in order to provide the necessary temperature for carrying out the gas generation process inside the gas generation reactor.
Vorteilhaft weist die Gaserzeugungsanlage einen Gasverteiler zur Aufnahme des Synthesegases aus dem Gaserzeugungsreaktor auf, wobei der Gasverteiler zur Abgabe mindestens eines Teils des Synthesegases an das erste Heizelement und das erste Heizelement zur Verbrennung des Synthesegases aus dem Gasverteiler ausgebildet sind. Der Gasverteiler weist insbesondere einen Gaseingang zur Aufnahme des Synthesegases und ein oder mehrere Gasausgänge auf, aus denen das Synthesegas austreten kann. Der Gaserzeugungsreaktor ist mit dem Gasverteiler und der Gasverteiler mit dem ersten Heizelement fluidisch verbunden. Das Synthesegas wird zur Verringerung des Material- und Energieverbrauchs wieder verbrannt, um die zur Erzeugung des Synthesegases notwendige Temperatur zwischen dem unteren Gasauslass und dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors bereitzustellen. Der Gaserzeugungsreaktor wird in einigen Ausführungsformen dadurch mindestens zum Teil mit Synthesegas als Brennstoff betrieben. Der Gasverteiler weist insbesondere einen oder mehrere Wärmetauscher auf, um dem Synthesegas vor der Weiterverwendung Wärme zu entziehen. The gas generation system advantageously has a gas distributor for receiving the synthesis gas from the gas generation reactor, the gas distributor being designed to deliver at least part of the synthesis gas to the first heating element and the first heating element being designed to burn the synthesis gas from the gas distributor. The gas distributor in particular has a gas inlet for receiving the synthesis gas and one or more gas outlets from which the synthesis gas can exit. The gas generating reactor is fluidically connected to the gas distributor and the gas distributor to the first heating element. The synthesis gas is burned again to reduce material and energy consumption in order to provide the temperature between the lower gas outlet and the lower end of the gas generation reactor which is necessary for generating the synthesis gas. In some embodiments, the gas generation reactor is operated at least partially with synthesis gas as fuel. The gas distributor has in particular one or more heat exchangers in order to extract heat from the synthesis gas before further use.
Eine Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler zur Abgabe von Wasser in das aus dem Gaserzeugungsreaktor aufgenommene Synthesegas ausgebildet ist. Der Gasverteiler weist ein Mittel auf, um Wasser in das aus dem Gaserzeugungsreaktor aufgenommene Synthesegas abzugeben.. Der Gasverteilter weist bevorzugt einen Wasserbehälter zur Speicherung des Wassers auf.A further development is characterized in that the gas distributor is designed to discharge water into the synthesis gas taken up from the gas generation reactor. The gas distributor has a means for releasing water into the synthesis gas taken up from the gas generation reactor. The gas distributor preferably has a water container for storing the water.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Gaserzeugungsanlage ist durch ein zweites Heizelement zur Aufnahme und Erhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches, insbesondere von Wasserdampf, aus dem Gaserzeugungsreaktor gekennzeichnet, wobei das zweite Heizelement eine fluidische Verbindung mit dem Gaseinlass zur Abgabe des Gas-Wasserdampf-Gemisches, insbesondere des erhitzten Wasserdampfs, und/oder eine fluidische Verbindung mit dem oberen Gausauslass über eine Gasabsaugpumpe aufweist. Durch das zweite Heizelement wird das Gas-Wasserdampf-Gemisch, insbesondere der Wasserdampf, vorerhitzt, bevor er dem Gaserzeugungsreaktor zugeführt wird. Das Gas-Wasserdampf-Gemisch wird durch eine fluidische Verbindung aus dem oberen Gasauslass aus dem Gaserzeugungsreaktor zu dem zweiten Heizelement geleitet. Insbesondere ist das zweite Heizelement dazu ausgebildet, den Wasserdampf auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen, insbesondere bis zu 1300°C, und/oder die Menge an Wasserdampf zu kontrollieren, die das zweite Heizelement verlässt. Vorzugsweise wird das zweite Heizelement zur Erhitzung von Wasserdampf zu Beginn des Gaserzeugungsverfahrens verwendet. Während des Gaserzeugungsverfahrens wird bevorzugt Energie aus dem Synthesegas und exothermen Reaktionen bei der Erzeugung eines kohlenstoffreichen Karbonisierungsprodukts, wie zum Beispiel Kohle, aus dem Rohmaterial in der Karbonisierungszone verwendet, um eine ausreichend hohe Temperatur in der Umwandlungszone zu bewirken. Dadurch wird ein hoher Grad an Autonomie der Gaserzeugungsanlage erzielt. Das zweite Heizelement kann auch zur Erhitzung weiterer aus dem Gaserzeugungsreaktor austretender Stoffe wie Kohlenwasserstoffe verwendet werden. A preferred embodiment of the gas generation system is characterized by a second heating element for receiving and heating the gas / water vapor mixture, in particular water vapor, from the gas generation reactor, the second heating element having a fluidic connection with the gas inlet for the discharge of the gas / water vapor mixture, in particular of the heated water vapor, and / or a fluidic connection with the upper Gausauslass via a gas suction pump. The gas-water vapor mixture, in particular the water vapor, is preheated by the second heating element before it is fed to the gas generation reactor. The gas / water vapor mixture is passed through a fluidic connection from the upper gas outlet from the gas generation reactor to the second heating element. In particular, the second heating element is designed to heat the water vapor to a desired temperature, in particular up to 1300 ° C., and / or to control the amount of water vapor leaving the second heating element. The second heating element is preferably used for heating water vapor at the beginning of the gas generation process. During the gas generation process, energy from the synthesis gas and exothermic reactions are preferably used in the production of a carbon-rich carbonation product, such as coal, from the raw material in the carbonation zone in order to cause a sufficiently high temperature in the conversion zone. This achieves a high degree of autonomy for the gas generation plant. The second heating element can also be used to heat other substances emerging from the gas generation reactor, such as hydrocarbons.
Eine Weiterbildung der Gaserzeugungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Heizelement zur Erzeugung von Mikrowellen ausgebildet ist. Insbesondere ist das zweite Heizelement zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen im Bereich von 1 GHz bis 300 GHz ausgebildet. Mit Mikrowellen kann der Wasserdampf besonders effizient erhitzt, insbesondere überhitzt, werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Gaserzeugungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasverteiler dazu ausgebildet ist, Synthesegas aus dem Gaserzeugungsreaktor an einen Generator zur Erzeugung von Strom abzugeben, wobei das zweite Heizelement zur Erhitzung des Gas-Wasserdampf-Gemisches, insbesondere von Wasserdampf, unter Verwendung des Stroms ausgebildet ist. Der Generator wird vorteilhaft durch einen Motor betrieben, der seinerseits von Synthesegas aus dem Gasverteiler angetrieben wird. Der Motor ist insbesondere als Verbrennungsmotor zur Verbrennung des Synthesegases und Betreibung des Generators ausgebildet. Dies bewirkt eine Verminderung des Material- und Energieverbrauchs. Die Stromversorgung des zweiten Heizelements kann vollständig oder teilweise von dem Stromgenerator bereitgestellt werden, der durch den Motor unter Verwendung des Synthesegases betrieben wird. Die Effizienz des Gaserzeugungsverfahrens mit der Gaserzeugungsanlage kann durch Zuführung von Wärme an das zweite Heizelement gesteigert werden, die aus Wärmetauschern stammt, an die erhitzter Wasserdampf aus dem Synthesegas geleitet wird.A further development of the gas generation system is characterized in that the second heating element is designed to generate microwaves. In particular, the second heating element is designed to generate electromagnetic waves with frequencies in the range from 1 GHz to 300 GHz. The water vapor can be heated, in particular superheated, particularly efficiently using microwaves.
An advantageous further development of the gas generation system is characterized in that the gas distributor is designed to deliver synthesis gas from the gas generation reactor to a generator to generate electricity, the second heating element for heating the gas-water vapor mixture, in particular water vapor, using the electricity is trained. The generator is advantageously operated by a motor, which in turn is driven by synthesis gas from the gas distributor. The engine is designed in particular as an internal combustion engine for burning the synthesis gas and operating the generator. This leads to a reduction in material and energy consumption. The power supply to the second heating element can be provided in whole or in part by the power generator which is operated by the engine using the synthesis gas. The efficiency of the gas generation process with the gas generation system can be increased by supplying heat to the second heating element, which comes from heat exchangers to which heated water vapor from the synthesis gas is passed.
Ein Gaserzeugungsverfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit einer Gaserzeugungsanlage nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen umfasst die folgenden Schritte:
- a. Kohlenwasserstoffhaltiges Rohmaterial wird durch eine Einlassschleuse an dem oberen Ende eines Gaserzeugungsreaktors in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt;
- b. Der Gaserzeugungsreaktor wird durch ein erstes Heizelement an einem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors erhitzt, insbesondere an seiner Außenhaut;
- c. Durch einen Gaseinlass an einem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors wird überhitzter Wasserdampf in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt;
- d. Der Wasserdampf strömt in Richtung eines oberen Endes des Gaserzeugungsreaktors, wobei ein Temperaturgefälle mit einer höheren Temperatur an dem unteren Ende und einer tieferen Temperatur an dem oberen Ende des Gaserzeugungsreaktors auftritt;
- e. Das Rohmaterial wird in Richtung auf das untere Ende des Gaserzeugungsreaktors befördert;
- f. Das Rohmaterial durchläuft eine Trocknungszone mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial getrocknet wird;
- g. Das Rohmaterial durchläuft eine Karbonisierungszone mit einer Temperatur, bei der das Rohmaterial mindestens teilweise, insbesondere unter Abspaltung von Wasser, in ein kohlenstoffhaltiges Karbonisierungsprodukt umgewandelt wird;
- h. Das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt durchläuft eine Umwandlungszone mit einer Temperatur, bei der das kohlenstoffhaltige Karbonisierungsprodukt mindestens teilweise mit dem Wasserdampf in ein Synthesegas umgewandelt wird;
- i. Das Synthesegas wird durch einen unteren Gasauslass in der Umwandlungszone aus dem Gaserzeugungsreaktor abgegeben;
- j. Restmaterial aus der Erzeugung des Synthesegases wird, insbesondere als Asche, aus einer Auslassschleuse an dem unteren Ende des Gaserzeugungsreaktors aus dem Gaserzeugungsreaktor abgegeben.
- a. Hydrocarbonaceous feedstock is introduced into the gas generating reactor through an inlet lock at the top of a gas generating reactor;
- b. The gas generating reactor is heated by a first heating element at a lower end of the gas generating reactor, in particular on its outer skin;
- c. Through a gas inlet at a lower end of the gas generating reactor superheated steam introduced into the gas generating reactor;
- d. The water vapor flows toward an upper end of the gas generating reactor, a temperature gradient with a higher temperature at the lower end and a lower temperature occurring at the upper end of the gas generating reactor;
- e. The raw material is conveyed towards the lower end of the gas generating reactor;
- f. The raw material passes through a drying zone at a temperature at which the raw material is dried;
- G. The raw material passes through a carbonation zone at a temperature at which the raw material is at least partially converted into a carbon-containing carbonation product, in particular with elimination of water;
- H. The carbonaceous carbonation product passes through a conversion zone at a temperature at which the carbonaceous carbonation product is at least partially converted into a synthesis gas with the steam;
- i. The synthesis gas is discharged from the gas generating reactor through a lower gas outlet in the conversion zone;
- j. Residual material from the generation of the synthesis gas, in particular as ash, is discharged from the gas generation reactor from an outlet lock at the lower end of the gas generation reactor.
Durch ein solches Verfahren ist die Erzeugung von Synthesegas bei vergleichsweise geringem Energie- und Materialverbrauch möglich. Außerdem wird Synthesegas in besonders reiner Form erzeugt.Such a process makes it possible to generate synthesis gas with comparatively little energy and material consumption. In addition, synthesis gas is produced in a particularly pure form.
Eine Ausgestaltung des Gaserzeugungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Gasverteiler mindestens ein Teil des im Gaserzeugungsreaktor erzeugten Synthesegases zur Verbrennung in das erste Heizelement eingeführt wird. Die Wiederverwendung des Synthesegases zur Bereitstellung der für die Erzeugung des Synthesegases notwendigen Temperatur liefert einen Beitrag zur Verminderung des Material- und Energieverbrauchs in dem Gaserzeugungsverfahren.One embodiment of the gas generation method is characterized in that at least part of the synthesis gas generated in the gas generation reactor is introduced into the first heating element for combustion through a gas distributor. The reuse of the synthesis gas to provide the temperature necessary for the generation of the synthesis gas contributes to reducing the material and energy consumption in the gas generation process.
Eine weitere Ausgestaltung des Gaserzeugungsverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas-Wasserdampf-Gemisch, insbesondere aufweisend Wasserdampf, aus dem Gaserzeugungsreaktor zu einem zweiten Heizelement geleitet wird, durch das zweite Heizelement erhitzt wird, insbesondere übererhitzt, und dann durch den Gaseinlass wieder in den Gaserzeugungsreaktor eingeführt wird. Der Wasserdampf wird vor Eintritt in den Gaserzeugungsreaktor vorerhitzt. Dabei wird der Wasserdampf aus dem Gaserzeugungsreaktor wiederverwendet. Der Wasserdampf wird insbesondere unter Verwendung von Synthesegas aus dem Gaserzeugungsreaktor durch das zweite Heizelement erhitzt. So werden Material- und Energieverbrauch weiter verringert.Another embodiment of the gas generation method is characterized in that the gas-water vapor mixture, in particular comprising water vapor, is passed from the gas generation reactor to a second heating element, is heated by the second heating element, in particular overheated, and then through the gas inlet back into the gas generation reactor is introduced. The water vapor is preheated before entering the gas generation reactor. The water vapor from the gas generation reactor is reused. The water vapor is heated by the second heating element, in particular using synthesis gas from the gas generation reactor. In this way, material and energy consumption are further reduced.
Durch die Gaserzeugungsanlage werden insbesondere kohlenstoffhaltige, vorzugsweise kohlenwasserstoffhaltige, Rohstoffe verarbeitet. Ein wesentliches Merkmal des Gaserzeugungsverfahrens oder Vergasungsprozesses ist die endotherme Natur der wichtigsten chemischen Reaktionen, insbesondere zur Erzeugung des Synthesegases, die in dem betrachteten Prozess auftreten. Um akzeptable wirtschaftliche Eigenschaften zu erhalten, ist es notwendig, den Wärmeverlust zu reduzieren. Insbesondere wird ein Teil der chemischen Energie des resultierenden Synthesegases zur Wärmeversorgung des Gaserzeugungsverfahrens genutzt. Die verbrauchte Energie hängt insbesondere vom Feuchtigkeitsgehalt, insbesondere des Wassergehalts, des Abfallmaterials bzw. des Rohmaterials, ab. Bei einer Feuchtigkeit des Abfallmaterials bis ca. 40% lässt sich ein Gaserzeugungsverfahren auf energetisch sinnvolle Weise durchführen.In particular, raw materials containing carbon, preferably hydrocarbon, are processed by the gas generation plant. An essential feature of the gas generation process or gasification process is the endothermic nature of the most important chemical reactions, especially for the generation of the synthesis gas, that occur in the process under consideration. In order to obtain acceptable economic properties, it is necessary to reduce heat loss. In particular, part of the chemical energy of the resulting synthesis gas is used to supply heat to the gas generation process. The energy consumed depends in particular on the moisture content, in particular the water content, of the waste material or the raw material. With a moisture content of the waste material of up to approx. 40%, a gas generation process can be carried out in an energetically sensible way.
Um die Parameter des austretenden Synthesegases unter Bedingungen der Verarbeitung von Gasbestandteilen in dem Gaserzeugungsreaktor zu stabilisieren, die in Zusammensetzung und Größe heterogen sind, ist es besonders wichtig, die Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes innerhalb des Gaserzeugungsreaktors und die effiziente Energieversorgung sicherzustellen.In order to stabilize the parameters of the emerging synthesis gas under the conditions of the processing of gas components in the gas generation reactor which are heterogeneous in composition and size, it is particularly important to ensure the uniformity of the temperature field within the gas generation reactor and the efficient energy supply.
Das Gaserzeugungsverfahren ist zur umweltfreundlichen Aufbereitung verschiedener Art Abfälle sowie zur Möglichkeit der Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas geeignet. Der Wasserdampf wirkt als inertes Medium, sodass sich keine unerwünschten neuen chemischen Verbindungen ergeben.The gas generation process is suitable for the environmentally friendly treatment of various types of waste as well as the possibility of generating hydrogen-rich synthesis gas. The water vapor acts as an inert medium, so that no undesired new chemical compounds arise.
Der Gaserzeugungsreaktor oder Vergasungsreaktor ist insbesondere dazu ausgebildet, mit überhitztem Dampf mit einer Temperatur von 1300°C oder mehr und unter kontinuierlichem Ein- und Entladen von Rohmaterial und Ascherückständen betrieben zu werden. Das Verfahren wird durch die Zu- und Abgabe von Gasen oder gasförmigen Teilchen umgesetzt, die über den gesamten Reaktor verteilt sind.The gas generation reactor or gasification reactor is designed in particular to be operated with superheated steam at a temperature of 1300 ° C. or more and with continuous loading and unloading of raw material and ash residues. The process is implemented by adding and releasing gases or gaseous particles that are distributed over the entire reactor.
Der Energieverbrauch des Gaserzeugungsreaktors wird durch die richtige Wahl der geometrischen Form und der Größe der Konstruktion sowie durch die Einstellung der Wärmequelle beeinflusst. Bei dem Wärmetransport im Rahmen des Gaserzeugungsverfahrens sind die folgenden Prozesse von wesentlicher Bedeutung: die Wärmeleitung, die Konvektion und die Wärmestrahlung.The energy consumption of the gas generating reactor is determined by the correct choice of the geometric shape and size of the construction as well influenced by the setting of the heat source. The following processes are of essential importance for the heat transport in the gas generation process: heat conduction, convection and heat radiation.
Zur Wärmerückgewinnung bzw. Rekuperatiön werden insbesondere Wärmetauscher mit großen aktiven Oberflächen sowie der Generator zur Erzeugung des Stroms für die zweite Heizquelle mit dem Synthesegas verwendet.In particular, heat exchangers with large active surfaces and the generator for generating the electricity for the second heating source with the synthesis gas are used for heat recovery or recuperation.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention emerge from the description and the drawing. The features mentioned above and those detailed below can also be used individually or collectively in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for describing the invention.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Gaserzeugungsanlage;1 Figure 3 shows a schematic view of a gas generating plant; -
2 zeigt schematisch einen vertikalen Querschnitt durch einen Gaserzeugungsreaktor der Gaserzeugungsanlage;2 shows schematically a vertical cross section through a gas generating reactor of the gas generating plant; -
3 zeigt schematisch einen horizontalen Querschnitt durch den Gaserzeugungsreaktor;3 shows schematically a horizontal cross section through the gas generating reactor; -
4 zeigt schematisch ein Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas mit der Gaserzeugungsanlage.4th shows schematically a method for generating synthesis gas with the gas generating plant.
Die in
Ein erstes Heizelement
Dabei durchläuft das Rohmaterial
Ein Gasverteiler
Ein zweites Heizelement
Der Gaserzeugungsreaktor
Der Dampfgaskollektor
In
Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung eine Gaserzeugungsanlage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 7229483 B2 [0004]US 7229483 B2 [0004]
- EP 2082013 B1 [0005]EP 2082013 B1 [0005]
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