DE69901304T2 - Vergaser mit nicht radialen düsen - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft Vergaser und insbesondere Verbesserungen in oder im Bezug auf Vergaser, wodurch darin eine verbesserte Verbrennung stattfinden kann. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Vergasers.
- Die Produktion von Generatorgas (eine Mischung von etwa 30% Kohlenrhonoxid und 70% Stickstoff, obwohl auch andere Gase vorhanden sein können) wird üblicherweise in einem sogenannten Vergaser durchgeführt, in dem eine Pyrolyse durchgeführt wird. Der Vergaser weist eine Kammer auf, die auf eine solche Weise mit Lufteinlässen versehen ist, dass das Verbrennen von Brennstoff in der Kammer unter gesteuerten Bedingungen stattfindet. Bei Vergasern wurden ursprünglich Kohle oder Koks als Brennstoffquelle verwendet, aber das Interesse an Vergasern hat in letzter Zeit zugenommen, da sie für die Beseitigung von verschiedenen Arten von organischen Feststoff-Abfällen verwendet werden können, wodurch Generatorgas erzeugt wird, das wiederum eine kombinierte Heiz- und Krafteinheit antreiben kann, die sowohl Wärme als auch Elektrizität erzeugen kann. Somit kann der Festbrennstoff normalerweise Holz oder Holz-Derivative, Stroh, Geflügel-Abfälle, getrockneter Klärschlamm und aus Abfällen gewonnenes brennbares Materialenthalten.
- In einer Vergaser-Kammer wird der Festbrennstoff zu einem Bett aus Kohlenstoff bei einer Temperatur von über 1000ºC reduziert, und ein Luftstrom wird durch dieses Bett geleitet, wobei die Bedingungen für die Verbrennung so eingestellt sind, dass der Sauerstoff in der Luft mit dem Kohlenstoff kombiniert, um Kohlenmonoxid zu bilden. Andere Gase, wie zum Beispiel Methan oder Wasserstoff können eben falls erzeugt werden, abhängig von der chemischen Zusammensetzung des verwendeten Brennstoffs.
- Ein Produkt der Verbrennung in einem Vergaser ist Asche, aber diese hat eine relativ geringe Dichte und ein geringes Volumen im Vergleich zu dem Festbrennstoff, der dem Vergaser zugeführt wird. Diese ist relativ einfach zu entsorgen, insbesondere deshalb, weil sie vollkommen steril ist. Im Gegensatz dazu kann das Generatorgas für eine Vielfalt von Aufgaben verwendet werden, obwohl es mit Vorsicht zu handhaben ist, da es wegen des Gehalts an Kohlenmonoxid toxisch ist. Beispielsweise kann das gesammelte Generatorgas unmittelbar in einer Verbrennungsmaschine zur Erzeugung von Elektrizität verwendet werden, ohne dass es über längere Zeiträume gelagert oder auf andere Weise gehandhabt werden muss.
- Obwohl das Prinzip bezüglich der Funktion eines Vergasers allgemein bekannt ist, ist es wichtig, dass die Verbrennungsbedingungen genau gesteuert werden, damit die Erzeugung von Kohlenmonoxid optimiert und der Gehalt an Kohlendioxid in dem Generatorgas minimiert wird. Es wurde nun herausgefunden, dass es durch die Steuerung der momentanen Einleitung von Luft in die Oxidationszone von einem Vergaser möglich ist, die Leistungsfähigkeit des Vergasers zu erhöhen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage verbessert wird, in der diese Einrichtung verwendet wird.
- Vergaser-Konstruktionen wurden in der NL-A-8900939 und in der CH-A-237348 vorgeschlagen. In beiden Konstruktionen gemäß Stand der Technik wurden Ausgestaltungen durchgeführt, um Verbrennungsluft auf eine solche Weise in einen Vergaser einzuleiten, dass die Luft bezüglich der Achse der Verbrennungskammer nicht direkt radial gerichtet ist, um so die Verbrennung in der Kammer zu verbessern. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Produktion von Generatorgas zu verbessern.
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Vergaser für die Produktion von Generatorgas aus brennbarem Material vorgesehen, mit einer Kammer, in die das Material eingeleitet wird, und mit einer Vielzahl von Blasdüsen, die an oder benachbart zu dem unteren Ende von der Kammer für die Einleitung von Luft in die Brennkammer angeordnet sind, wobei jede dieser Blasdüsen eine Achse definiert, entlang derer Luft in die Kammer geblasen wird, wobei zumindest einige der Blasdüsen konfiguriert sind, um eine Rotationsbewegung um die Achse herum zu erzeugen, entlang derer die Luft aus jeder der Blasdüsen in die Kammer eingeblasen wird, wodurch die Verbrennungsluft in der Form einer Düsenströmung eingeblasen wird, die um die Länge der Strömung herum wirbelt.
- Vorzugsweise sind zumindest einige der Blasdüsen so angeordnet sind, dass ihre zugehörigen Achsen mit einem spitzen Winkel (bei Projektion auf eine horizontale Ebene, die die jeweilige Blasdüse beinhaltet) bezüglich einer Tangente an der Wand der Kammer an der Position der Blasdüse verlaufen, wobei die Projektionsachse von jeder Blasdüse bezüglich der Achse der Kammer in die gleiche Richtung verläuft, wodurch die ausgeblasene Luft außerdem dazu tendiert, um die Kammer herum zu wirbeln.
- Es ist offensichtlich, dass der Vergaser dieser Erfindung in der Lage ist, eine bessere Reduktion von Brennstoff zu erreichen, indem die Interaktion zwischen der eingeleiteten Luft und dem heißen, karbonisierten Bett am Boden der Vergaser-Kammer verbessert wird. Diese Interaktion kann erreicht werden, indem entweder lediglich bewirkt wird, dass die eingeleitete Luft entlang der Projektionsachse in den Vergaser rotiert, oder indem zusätzlich bewirkt wird, dass die eingeleitete Luft um den unteren Bereich der Kammer herum verwirbelt wird. Durch Anpassen dieser beiden Maßnahmen dieser Erfindung wird die Interaktion der Luft mit dem Bett am Boden des Vergasers stark verbessert, was zu einer besseren Steuerung der Verbrennung des Brennstoffs führt. Dies wiederum führt zu einer vollständigeren Verbrennung in der Oxidationszone, was zu einem größeren Sauerstoffmangel in der Reduktionszone und zu einem Anstieg des Anteils an Kohlenmonoxid in dem resultierenden Generatorgas führt.
- Vorzugsweise sind alle Blasdüsen im wesentlichen mit dem gleichen spitzen Winkel bezüglich der Kammerwand angeordnet, durch die die jeweilige Blasdüse vorsteht. Dadurch, dass der Winkel des Vorstehens von jeder Blasdüse die gleiche Richtung bezüglich der Achse der Kammer hat, neigt die eingeleitete Luft dazu, in der Kammer herumgewirbelt zu werden, um mit allen Bereichen von dem relativ heißen Kohlenstoff-Bett zusammenzuwirken. Dieser Effekt wird verbessert, indem die Blasdüsen in einer gleichmäßigen Verteilung gleichmäßig um die Kammer beabstandet sind.
- Vorteilhafterweise ist jede Blasdüse sowohl in einem nicht radialen Winkel bezüglich der Achse der Kammer als auch bezüglich der Kammer nach oben gerichtet. Auf diese Weise wird die Durchdringung von dem gesamten heißen Kohlenstoff-Bett durch die eingeleitete Luft gewährleistet.
- Die Kammer kann allgemein, zumindest in dem Bereich der Blasdüsen, einen kreisförmigen Querschnitt haben, wobei die Achse der Kammer im wesentlichen vertikal verläuft. Die Kammer kann eine untere Wand mit allgemein konischer Form haben, durch die ein Bett aus dem brennbarem Material abstützend gehalten ist, wobei die Blasdüsen in der unteren konischen Wand montiert sind. An dem anderen Ende der Kammer kann eine Einlass-Öffnung für brennbares Materialvorgesehen sein, wobei der obere Bereich der Kammer als ein Trichter für das darin einzuladende Material dient. Die Einlass-Öffnung ist vorzugsweise mit einem Absperrschieber versehen, um das Beladen des Trichters zu ermöglichen, während sich der Vergaser in Betrieb befindet.
- Jede Blasdüse hat vorzugsweise die Form einer Düsenöffnung, die durch die Kammerwand vorsteht, wobei die Bohrung der Düsenöffnung so konfiguriert ist, um zu bewirken, dass die hindurchströmende Luftströmung um die Achse der Blasdüse herum rotiert. Dies kann erreicht werden, indem in jeder Düsenöffnung ein Einsatz vorgesehen ist, wobei der Einsatz eine Platte aufweist, deren Breite im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser der Düsenöffnung ist und die Platte entlang ihrer Länge verdreht ist.
- Diese Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Vergasers für die Produktion von Generatorgas aus brennbarem Material, wobei der Vergaser eine Kammer, in die das Material eingeleitet wird, und eine Vielzahl von Blasdüsen aufweist, die an oder benachbart zu dem unteren Ende der Kammer angeordnet sind, wobei bei diesem Verfahren Luft in die Brennkammer durch die Blasdüsen geblasen wird und jede Blasdüse konfiguriert ist, um eine Rotationsbewegung um die Achse des Einleitens der Luft zu erzeugen, so dass die Verbrennungsluft in der Form einer Düsenströmung eingeblasen wird, die um die Länge der eingeleiteten Strömung herum wirbelt. Außerdem wird durch die Erfindung bewirkt, dass die Luft durch Blasdüsen eingeleitet wird, wobei die zugehörigen Achsen von zumindest einigen von diesen mit einem spitzen Winkel (bei Projektion auf eine horizontale Ebene, die die jeweilige Blasdüse beinhaltet) bezüglich einer Tangente an einer Wand der Kammer an der Position dieser Blasdüse verlaufen, wodurch Luft dazu neigt, gleichzeitig mit der Rotation der Luft um ihre eigene Achse, um die Kammer herum zu wirbeln.
- Anhand lediglich eines Beispiels wird nun ein spezielles Ausführungsbeispiel des Vergasers, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert und ausgestaltet ist, im Detail beschrieben, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- Fig. 1 ein schematischer vertikaler Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel des Vergasers ist;
- Fig. 2 eine Draufsicht auf die untere Wand der in Fig. 1 gezeigten Vergaser-Kammer ist, wobei aus Gründen der Deutlichkeit Teile entfernt sind;
- Fig. 3 eine detaillierte Ansicht in vergrößertem Maßstab durch die untere Wand ist;
- Fig. 4 eine Endansicht von einer Blasdüse des Vergasers aus Fig. 1 bis 3 ist; und
- Fig. 5 eine Einsatzplatte der Blasdüse aus Fig. 4 darstellt.
- Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel von einem Vergaser gezeigt, der für die Produktion von Generatorgas aus einem brennbaren Feststoff-Material ausgestaltet ist, das als Brennstoff dient, wie zum Beispiel Holzspäne, Holzblöcke, Kohle oder ähnliche Materialien, Geflügel- Abfälle, getrockneter Klärschlamm und aus Abfällen gewonnener Brennstoff. Der Vergaser hat eine Brennkammer 10 mit einer allgemein konischen unteren Wand 11, die um ihren oberen Rand mit einem Flansch 12 versehen ist. Ein Trichter 13 hat einen entsprechenden Flansch 14 an seinem unteren Rand und ist durch Bolzen (nicht gezeigt) an dem Flansch 12 der unteren Wand 11 befestigt. Das obere Ende des Trichters 13 ist durch einen Absperrschieber 15 geschlossen, der es ermöglicht, den Trichter mit weiterem festen Brennstoff zu befüllen, während der Betrieb des Vergasers fortgesetzt wird. Ein Betätigungsmittel 15A ist an einer Seite des Trichters montiert, das Öffnen und Schließen des Absperrschiebers zu bewirken.
- In einer alternativen Ausgestaltung (nicht gezeigt) hat der Trichter einen einfachen Deckel, der in einer Position befestigt werden kann, und eine Brennstoff-Zuführanordnung kann vorgesehen sein, um Brennstoff in den oberen Bereich des Trichters einzuleiten.
- Die untere Wand 11 ist an einer Basisstruktur 16 gehalten, die eine Plenum-Kammer 17 bildet, die mit einem Lufteinlass 18 und sechs Anschlüssen 19 versehen ist, die normalerweise jeweils durch eine zugehörige Kappe 20 verschlossen sind, wobei die Anschlüsse 19 gleichmäßig um die Plenum-Kammer 17 herum beabstandet sind. Der mittlere Bereich der unteren Wand 11 steht über eine Öffnung 22 mit einem Rohr 23 in Verbindung, in der das Generatorgas während des Betriebs des Vergasers gebildet wird, wobei das Rohr 23 in eine untere Kammer 24 führt. Ein Generatorgas-Auslassrohr 25 führt durch eine Außenwand 26 der unteren Kammer 24, und es ist einem Anschluss 27 zu dieser Kammer vorgesehen, der normalerweise durch eine Platte 28 geschlossen ist, durch die aber Zugriff zu der Kammer erreicht werden kann, beispielsweise zum Entfernen von Asche oder zur Wartung.
- Ein automatisches System zum Entfernen von Asche befindet sich unter dem Rohr 23. Dieses enthält eine exzentrische Gitter- Anordnung 40, die an einer Welle 41 montiert ist, die drehbar unter der Basiswand der unteren Kammer 24 gehalten ist. An der Welle 41 ist außerdem eine Kratzerstange 42 gehalten, die Ketten aufweist, die dazu dienen, gesammelte Asche in eine Entladerinne 43 zu fördern, die sich unter der unteren Kammer 40 befindet. Ein Motor 44 ist über eine Kette 45 antreibend mit der Welle 41 verbunden, um eine Drehung von sowohl der Gitter-Anordnung 40 als auch der Kratzerstange 42 zu bewirken. Eine Entlade-Förderschnecke 46 transportiert die entladene Asche aus der Rinne durch eine Wasserdichtung, die an der Unterseite dieser Rinne vorgesehen ist.
- Luft tritt in das Plenum 17 durch den Einlass 18 ein und wird in die Brennkammer 10 durch eine Vielzahl von Blasdüsen 30 geleitet, die in der konischen unteren Wand 11 der Kammer vorgesehen sind. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen, sind sechs solcher Blasdüsen 30 gleichmäßig um die Öffnung 22 herum beabstandet und in Ausrichtung mit den Anschlüssen 19 vorgesehen. Die Blasdüsen sind alle im wesentlichen mit dem gleichen Winkel bezüglich der vertikalen Achse 31 der Brennkammer 10 angeordnet und liegen außerdem alle im wesentlichen mit dem gleichen Winkel bezüglich eines horizontalen Radius der Kammer, der sich mit der jeweiligen Blasdüse kreuzt. Daher neigt die Luft dazu, die in die Brennkammer eintritt, in einer Gegenuhrzeigerrichtung um die Kammer herumzuwirbeln und gleichzeitig in der Kammer nach oben zu steigen.
- Jede Blasdüse 30 ist mit einem Einsatz 33 versehen, um auf den Luftstrom, der aus der Blasdüse in die Brennkammer 10 eintritt, einen Spin aufzubringen. Der Einsatz hat die Form einer Platte mit einer Breite, die im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Blasdüse ist, wie in Fig. 4 gezeigt, und ist entlang seiner Länge um 90º verdreht. Auf diese Weise wird die Luft, die durch die Blasdüse geleitet wird, um die Achse der Blasdüse herum verwirbelt.
- Bei Betrieb werden feste Brennstoffteile durch den Absperrschieber 15 in den Trichter 13 geladen, und dann wird der Luftstrom eingeleitet, indem der Druck am Generatorgas-Auslass 25 reduziert wird. Dadurch wird Luft durch den Einlass 18 in das Plenum 17 gesaugt, wobei die Luft dann in dem Plenum 17 herumwirbelt und das Abkühlen der unteren Platte 11 unterstützt, wenn der Betrieb des Vergasers erreicht ist. Durch den verminderten Druck am Generatorgas-Auslass 25 wird die Luft aus dem Plenum 17 durch die Blasdüsen 30 in das Bett auf der unteren Wand 11 und dann nach unten durch die Öffnung 22, das Rohr 23 und in die untere Kammer 24 gesaugt. Der Vergaser wird durch zumindest einen der Anschlüsse 19 gezündet, zum Beispiel mit einem Gas- Brenner, wodurch die Verbrennung in der Kammer 10 eingeleitet wird. Bei vollem Betrieb hat der obere Bereich 35 des Vergasers eine Temperatur von etwa 500ºC und dient als eine Destillationszone für Hydrogencarbonate mit hohem Molekulargewicht. Darunter befindet sich eine Karbonisierungszone 36, die bei etwa 600ºC arbeitet, wo der Festbrennstoff in Holzkohle umgewandelt wird, indem andere Bestandteile verbrannt werden. Auf und unmittelbar über der unteren Wand 11 befindet sich die eine Oxidationszone 37, die bei etwa 1200ºC arbeitet, wo der Kohlenstoff in Luft verbrannt wird, um CO&sub2; zu bilden. Der heiße Kohlenstoff fällt dann durch die Öffnung 22 in das Rohr 23 und auf das Gitter 40, wobei in dem Rohr 24 ein Sauerstoffmangel vorherrscht, um die Verbrennung von dem Kohlenstoff fortzusetzen, so dass ein Reduktionsprozess stattfindet, in dem das CO&sub2; zu CO reduziert wird. Die endgültige Generatorgas-Mischung verlässt die untere Kammer 24 durch das Rohr 25.
- Während des Betriebs des Vergasers wird der Motor 44 diskontinuierlich langsam angetrieben, um die Gitter-Baugruppe 40 anzutreiben. Durch die exzentrische Form dieser Baugruppe werden alle großen Teile zermahlen, die dann durch die untere Kammer 24 fallen und in der Entladerinne 43 gesammelt werden. Der Motor kann kontinuierlich betrieben werden, und zwar abhängig von dem Asche-Gehalt der Brennstoffquelle.
- Eine typische Generatorgas-Zusammensetzung, die durch die Verwendung von Holz als Brennstoffquelle erhalten wird, kann folgende sein:
- Stickstoff 45-54
- Kohlenmonoxid 18-25
- Wasserstoff 13-15
- Wasserdampf 10-15
- Kohlendioxid 5-10
- Methan 3-5
- Durch Anpassung der Maßnahmen, wie vorstehend beschrieben, betreffend die Anordnung der Blasdüsen und außerdem der inneren Konfiguration davon, wird die Einleitung von Luft durch die Blasdüsen in die Oxidationszone verbessert, wobei herausgefunden wurde, dass der Gehalt an Kohlendioxid beträchtlich vermindert werden kann, mit einer sich daraus ergebenden Verbesserung bezüglich des Gehalts Kohlenmonoxid in dem Generatorgas.
Claims (13)
1. Vergaser für die Produktion von Generatorgas aus brennbarem
Material, mit einer Kammer, in die das Material eingeleitet
wird, und mit einer Vielzahl von Blasdüsen (30), die an oder
benachbart zu dem unteren Ende von der Kammer (11) für die
Einleitung von Luft in die Brennkammer (10) angeordnet sind,
wobei jede dieser Blasdüsen eine Achse definiert, entlang
derer Luft in die Kammer geblasen wird, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest einige der Blasdüsen konfiguriert sind,
um eine Rotationsbewegung um die Achse herum zu erzeugen,
entlang derer die Luft aus jeder der Blasdüsen in die Kammer
eingeblasen wird, wodurch die Verbrennungsluft in der Form
einer Düsenströmung eingeblasen wird, die um die Länge der
Strömung herum wirbelt.
2. Vergaser nach Anspruch 1, bei dem zumindest einige der
Blasdüsen so angeordnet sind, daß ihre zugehörigen Achsen mit
einem spitzen Winkel (bei Projektion auf eine horizontale
Ebene, die die jeweilige Blasdüse beinhaltet) bezüglich
einer Tangente an der Wand der Kammer (11) an der Position
der Blasdüse verlaufen, wobei die Projektionsachse von jeder
Blasdüse bezüglich der Achse (31) der Kammer in die gleiche
Richtung verläuft, wodurch die ausgeblasene Luft ebenfalls
dazu tendiert, um die Kammer herum zu wirbeln.
3. Vergaser nach Anspruch 2, bei dem die zumindest einigen der
Blasdüsen im wesentlichen mit dem gleichen spitzen Winkel
bezüglich der zugehörigen Tangente an der Kammerwand an der
Position der jeweiligen Blasdüsen angeordnet sind.
4. Vergaser nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die
Projektionsachse von jeder Blasdüse bezüglich der Kammer nach
oben gerichtet ist, zusätzlich zu der Ausrichtung mit ihrer
Achse mit einem spitzen Winkel bezüglich einer Tangente an
der Wand, bei Projektion auf eine horizontale Ebene, die
diese Blasdüse beinhaltet.
5. Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
alle diese Blasdüsen ähnlich konfiguriert und bezüglich der
Kammer angeordnet sind.
6. . Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
die Kammer zumindest in dem Bereich der Blasdüsen allgemein
einen kreisförmigen Querschnitt hat, wobei die Achse der
Kammer im wesentlichen vertikal verläuft.
7. Vergaser nach Anspruch 6, bei dem die Vergaser-Kammer eine
untere Wand (11) mit allgemein konischer Form hat, die ein
Bett aus dem brennbaren Material abstützend hält, wobei die
Blasdüsen in der unteren Wand montiert sind.
8. Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
die Blasdüsen im wesentlichen gleichmäßig um die Kammer
herum verteilt sind.
9. Vergaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
jede Blasdüse eine Düsenöffnung aufweist, die durch die
Kammerwand vorsteht, wobei die Bohrung der Düsenöffnung so
konfiguriert ist, um zu bewirken, daß die Luftströmung
dadurch um die Achse der Blasdüse herum rotiert.
10. Vergaser nach Anspruch 9, bei dem ein Einsatz (33) in jeder
Düsenöffnung vorgesehen ist, wobei der Einsatz eine Platte
aufweist, deren Breite im wesentlichen gleich dem
Durchmesser der Düsenöffnung ist, und wobei die Platte entlang
ihrer Länge verdreht ist.
11. Verfahren zum Betreiben eines Vergasers für die Produktion
von Generatorgas aus brennbarem Material, wobei der Vergaser
eine Kammer (10), in die das Material eingeleitet (15) wird,
und eine Vielzahl von Blasdüsen (30) aufweist, die an oder
benachbart zu dem unteren Ende der Kammer (11) angeordnet
sind, wobei bei diesem Verfahren Luft in die Brennkammer
durch die Blasdüsen geblasen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Blasdüse konfiguriert ist, um eine
Rotationsbewegung um die Achse des Einleitens der Luft zu erzeugen, so
daß die Verbrennungsluft in der Form einer Düsenströmung
eingeblasen wird, die um die Länge der eingeleiteten
Strömung herum wirbelt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Blasdüsen so
angeordnet sind, daß ihre zugehörigen Achsen mit im wesentlichen
dem gleichen spitzen Winkel (bei Projektion auf eine
horizontale Ebene, die die jeweilige Blasdüse beinhaltet) und in
der gleichen Richtung bezüglich einer Tangente an einer Wand
der Kammer (11) an der Position dieser Blasdüse verlaufen,
wodurch Luft, die durch die Blasdüsen in die Kammer geblasen
wird, dazu neigt, um die Kammer herum zu wirbeln.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, bei dem die
Luft durch die Blasdüsen eingesogen wird, indem der Druck an
dem Generatorgas-Auslaß (25) des Vergasers reduziert wird.
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