JP3590594B2 - ガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ｎｏｘ燃焼器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予混合室で液体燃料を予め空気と混合させて予混合気を作り、この予混合気を下流の燃焼室で燃焼させるようにしたガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンエンジンにおいては、排ガス組成に関して厳しい環境基準が設けられており、特にＮＯ_Ｘ （窒素酸化物）の排出量の低減が望まれている。この低ＮＯ_Ｘ 化の手段として、燃焼室内に水や蒸気を噴射して燃焼火炎温度を低下させる方法が一般的に採用されてきたが、この方法では、エンジン熱効率の低下、悪い水質によるタービンなどの腐食に伴うエンジン寿命の低下、さらには水質を良くするための前処理に要する設備および維持管理費の高騰などの種々の欠点があった。このような水や蒸気を用いないでＮＯ_Ｘ を低減する方法として、予蒸発・希薄予混合燃焼方式が有効であることがよく知られている。
【０００３】
図４は、上述の予蒸発・希薄予混合燃焼方式を採用した従来の予混合型燃焼器の一例を示す縦断面図である（例えば特開平９−３０３７７６号公報参照）。この燃焼器５０では、その中心軸上に配置されたパイロットノズル５１からパイロット液体燃料ＰＦを噴射し、その周囲から燃焼用空気ＣＡを供給して燃焼させる。他方、前記パイロットノズル５１の外周には、環状の予混合室５２が形成されており、その上流の環状通路内にラジアル・スワーラ５３が装着されている。このスワーラ５３を通って旋回を付与されながら予混合室５２内に供給される空気流ＣＡ中に、低ＮＯ_Ｘ 化に適した一定の空燃比（燃料と空気の混合比）となるようにメインノズル５４からメイン液体燃料ＭＦを噴射することにより、液体燃料ＭＦの蒸発・混合を行ったのち、この予混合気を燃焼室Ｃ内に供給して、前記パイロットノズル５１から噴射したパイロット液体燃料ＰＦによる燃焼炎によって燃焼させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記予混合型燃焼器５０では、液体燃料ＭＦの液滴を十分に蒸発させることで空気ＣＡと均一に混合させることが、低ＮＯ_Ｘ 化を達成するための重要なポイントとなる。しかしながら、前記構成とした予混合型燃焼器では、液体燃料ＭＦと空気ＣＡとの混合過程において、メインノズル５４から予混合室５２内に噴射された液体燃料ＭＦが、蒸発が完了する前に予混合室５２の壁面５２ａに衝突してそのまま付着し、壁面５２ａに液膜５７を形成してしまう。このような液膜５７が形成されるのは、液体燃料ＭＦが微粒化するために一定の噴射角度に拡げてメインノズル５４から噴射されるために、その噴射された液体燃料ＭＦ中に蒸発するまでに時間を要する比較的大きな粒の液滴が存在すると、この液滴が、蒸発する以前に空気の旋回流による遠心力によって壁面５２ａに衝突してしまうからである。
【０００５】
前記液膜５７となった液体燃料ＭＦは、予蒸発されないことから、空気ＣＡと十分に混合されない状態で燃焼室Ｃ内の燃焼領域に向け流出してしまい、予混合室５２の出口で拡散火炎として燃焼する。このように、前記燃焼器５０では、液体燃料ＭＦの全てを完全に予蒸発させることができないので、液体燃料ＭＦと空気ＣＡとの均一な混合が行われず、その結果、ＮＯ_Ｘ の発生量を十分に抑制することができない。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたもので、液体燃料の全てを確実に蒸発させて空気と均一に混合させることにより、所要の空燃比の予混合気を作ることができるガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の構成に係るガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器は、燃焼領域の上流側に形成されて、液体燃料と空気とを混合させて予混合気を作る予混合室と、前記予混合室に前記液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記予混合室に前記空気を予混合室の軸心回りに旋回させながら導入して前記液体燃料と混合させる第１の空気入口と、前記第１の空気入口の下流側で前記予混合室の外周壁に形成されて、予混合室に空気を導入する環状の第２の空気入口とが設けられ、前記燃料噴射装置が、前記予混合室内に出口を持ち、噴射角度を制限して予混合室の周壁に当たる液体燃料の量を抑制する噴射チューブと、この噴射チューブ内にその入口から前記液体燃料を噴射する燃料噴射弁とを有している。
【０００８】
この構成によれば、燃料噴射装置から予混合室に噴射された液体燃料は、予混合室内に流入した時点で、第１の空気入口から予混合室の軸心回りに旋回しながら予混合室に導入された空気により微粒化されて、その大部分が蒸発して空気と混合し、予混合気となる。この予混合気中に含まれている未蒸発の燃料液滴は旋回流の空気による遠心力によって予混合室の外周壁に向かって流動するが、その外周壁の内面に衝突する前に第２の空気入口から予混合室に導入された空気によって予混合室の中央部分に吹き戻されたのち、上流側からの予混合気および第２の空気入口からの空気と混合されて、その全てが蒸発する。これにより、予混合室内に流入した液体燃料は、その全てが完全に蒸発した状態で空気と均一に混合して、ＮＯ_Ｘ の低減に適した所要の空燃比の希釈予混合気となって燃焼室に送られるから、ＮＯ_Ｘ の発生を大幅に低減することができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態では、前記予混合室に入る空気の６０〜８０％が前記第１の空気入口から導入され、残部が前記第２の空気入口から導入されるように設定されている。この構成によれば、予混合室内に噴射される液体燃料は、上流側の第１の空気入口から入る６０％以上の空気と十分に混合して確実に微粒化した予混合気とすることができ、この予混合気中に残存する燃料液滴は、下流側の第２の空気入口から予混合室に入る２０〜４０％の空気によって、外周壁の内面（予混合室壁面）に付着することなく、液体燃料の全てを蒸発させることができる。
【００１０】
本発明の他の好ましい実施形態では、前記第１および第２の空気入口に空気を旋回させるスワーラが設けられ、前記第１の空気入口のスワーラによる旋回力の方が前記第２のスワーラの旋回力よりも強く設定されている。この構成によれば、第１の空気入口のスワーラからの強い旋回流の空気により液体燃料を短時間で蒸発させて空気と十分混合することができる。他方、下流側の第２の空気入口のスワーラの旋回力を弱くすることで、燃焼ガスの燃焼領域に入る旋回流の旋回強度を適正にすることにより、燃焼領域の火炎を安定化できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器が適用されるガスタービンエンジンを示した概略構成図である。このガスタービンエンジンは、圧縮機１、燃焼器２およびタービン３を主構成要素としている。燃焼器２は、圧縮機１から供給される圧縮空気に燃料を供給して燃焼させ、それにより発生する高温高圧の燃焼ガスをタービン３に供給する。圧縮機１は回転軸５を介してタービン３に連結されて、このタービン３によって駆動される。前記タービン３は減速機４を介して発電機のような負荷７を回転駆動する。燃焼器２には、燃料ポンプ８から送給される液体燃料が、燃料制御装置９を介して供給される。液体燃料としては主に灯油または軽油が用いられる。
【００１２】
図２は、本発明の第１実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器２の要部を示す縦断面図である。この燃焼器２は、燃焼室Ｃを形成する内筒１０と、この内筒１０の外周を覆うハウジング１１とを有し、内筒１０とハウジング１１との間に空気通路１２が形成されている。図１の圧縮機１から供給された燃焼用の圧縮空気ＣＡが前記空気通路１２を燃焼器２の先端側に向かって流れたのちに、内筒１０内で燃焼ガスＧとなって燃焼器２の基端側に向かって流れ、図示しないトランジション・ダクトを通って図１のタービン３に導入される。
【００１３】
図２の燃焼器２の頂部中心部には、パイロット液体燃料ＰＦを噴射するパイロットノズル１３が設けられ、このパイロットノズル１３の外周にパイロット空気通路１４が設けられている。パイロット空気通路１４の外周には環状の予混合室１７が配設されており、この予混合室１７は、前記内筒１０の径方向外方に向いて前記空気通路１２の空気導入口２２に臨む第１の空気入口１８と、この第１の空気入口１８の下流側でこれと同様に内筒１０の径方向外方に向き、かつ圧縮空気ＣＡを径方向内方に流入させる第２の空気入口１９とを有している。
【００１４】
前記両空気入口１８，１９は、共に、予混合室１７と同心の環状形状になっているとともに、第１および第２のスワーラ２０，２１がそれぞれ装着されている。したがって、両空気入口１８，１９は、各々に備えた第１および第２のラジアルスワーラ２０，２１により、空気通路１２から空気導入口２２を介して流入する燃焼用空気ＣＡを予混合室１７の軸心回りに旋回させながら予混合室１７内に、予混合室１７の径方向内方へ向かって、軸心方向から見て斜めに導入する。前記第１の空気入口１８は、後述する燃料噴射装置２４の燃料噴射弁２８から予混合室１７内に噴射されるメイン液体燃料ＭＦに対し、第１のスワーラ２０で旋回流を付与した空気ＣＡを混合させるよう導入できる位置に配設されている。第２の空気入口１９は、第１の空気入口１８からの流入空気ＣＡと液体燃料ＭＦとを混合した予混合気の旋回領域に臨むように予混合室１７の外周壁１７ｂに設けられており、その外周壁１７ｂにおける配設箇所は、前記予混合気中に含まれる液体燃料ＭＦの未蒸発の燃料液滴が旋回流による遠心力で外周壁１７ｂに衝突することが予測される位置に設定されている。
【００１５】
また、予混合室１７に入る空気ＣＡの６０〜８０％は第１の空気入口１８から導入され、残りの空気ＣＡが第２の空気入口１９から導入されるように設定されている。さらに、第１の空気入口１８の第１のスワーラ２０による空気ＣＡの旋回力は第２の空気入口１９の第２のスワーラ２１による旋回力よりも強く設定されている。ここで、旋回力は、空気ＣＡに旋回成分を付与する能力であり、旋回力の強い方が、スワーラ下流における空気流の速度の周方向成分が大きくなる。前記旋回力はスワーラ２０，２１の羽根の角度によって適宜設定される。予混合室１７の出口２３は、内筒１０の軸方向、つまり、燃焼器２の軸方向に向いており、したがって、予混合室１７は軸心を含む縦断面でＦ字形を呈している。
【００１６】
予混合室１７の頂部における前記第１のスワーラ２０の下流側には、予混合室１７内に予混合用のメイン液体燃料ＭＦを噴射する複数の燃料噴射装置２４が周方向に等間隔の配置で設けられている。この燃料噴射装置２４は、予混合室１７内に出口２７ｂを持つ噴射チューブ２７と、この噴射チューブ２７内にその入口２７ａからメイン液体燃料ＭＦを噴射する燃料噴射弁２８とにより構成されている。
【００１７】
前記燃料噴射弁２８は、噴射チューブ２７の入口２７ａから若干離れて、入口２７ａとの間に隙間２９を有する配置で設けられており、この隙間２９から空気ＣＡが噴射チューブ２７内に流入するようになっている。また、噴射チューブ２７は、これの出口２７ｂを予混合室１７内に突出させた配置で設けられているが、この噴射チューブ２７の予混合室１７内への突出量ｄは、第１のスワーラ２０の通路幅（軸方向幅）Ｗの１／５以上で、且つ１／２以下に設定されている。前記パイロットノズル１３からは始動時のみ又は始動時を含む通常運転時の全てにわたってパイロット液体燃料ＰＦが噴射され、前記各燃料噴射弁２８からは通常運転時のみ液体燃料ＭＦが噴射されるが、これら液体燃料ＰＦ，ＭＦの噴射量などの制御は図１の燃料制御装置９によって行われる。
【００１８】
つぎに、この第１実施形態の動作を説明する。図１の圧縮機１から供給される燃焼用の圧縮空気ＣＡは、図２の空気通路１２を経て、その一部が内筒１０の周壁に設けられた燃焼用および希釈用の空気孔（図示せず）から燃焼室Ｃ内に流入し、他の一部がパイロット空気通路１４を経て燃焼室Ｃ内へ入り、残りが第１および第２のスワーラ２０，２１をそれぞれ経て予混合室１７内へ流入する。パイロットノズル１３から燃焼室Ｃ内に噴射されたパイロット液体燃料ＰＦが燃焼して拡散燃焼領域Ｓ１が形成される。
【００１９】
他方、メイン燃料噴射弁２８からは、メイン液体燃料ＭＦが、微粒化を促進するために比較的大きな噴射角度の範囲内で噴射チューブ２７の内方に噴射され、この噴射チューブ２７を通って予混合室１７内に向け噴射される。このとき、噴射チューブ２７には、これの内部に噴射された液体燃料ＭＦによって生じる負圧で空気ＣＡが燃料噴射弁２８との隙間２９から流入し、この流入した空気ＣＡは液体燃料ＭＦに対しこれの周囲を包み込んで拡がりを制限する。そのため、液体燃料ＭＦは、小さな噴射角度に狭められて噴射チューブ２７の出口２７ｂから予混合室１７内に噴出されるので、予混合室１７の外周壁１７ｂおよび内周壁に向けて噴射される量が、図４のタイプの燃焼器に比較して少なくなる。
【００２０】
また、液体燃料ＭＦのうちの大きな噴射角度で噴射チューブ２７内に入った液滴は噴射チューブ２７の内壁面に衝突して液膜を形成するが、この液膜は、噴射チューブ２７の内壁に沿いながら流れて噴射チューブ２７の出口２７ｂから流出した時点で、第１のスワーラ２０によって旋回流を付与されながら高速で流動する空気ＣＡ１が吹き付けられることにより、微粒化される。すなわち、噴射チューブ２７の予混合室１７内への突出量ｄは、上述したように第１のスワーラ２０の通路幅Ｗの１／５以上で、且つ１／２以下に設定されているから、前記液膜は、噴射チューブ２７の出口２７ｂから出た時点で高速旋回流に臨むことになるので、空気ＣＡ１が強く吹き付けられることによって効果的に霧化される。
【００２１】
噴射チューブ２７の前記突出量ｄを１／５以下に設定した場合、出口２７ｂが予混合室１７の頂部の内壁面１７ａに近づくために、噴射チューブ２７の出口２７ｂにおいて液体燃料ＭＦに吹き付けられる空気ＣＡ１の流速が小さくなってしまい、一方、突出量ｄを１／２以上に設定した場合、空気ＣＡ１が噴射チューブ２７に当たって流速低下が生じるとともに、噴射チューブ２７の出口２７ｂから流出した液体燃料ＭＦに空気ＣＡ１が十分当たらなくなる。そのため、何れの場合にも液体燃料ＭＦを霧化させる効果が小さくなる。
【００２２】
噴射チューブ２７の出口２７ｂから流出した液膜による液滴および液体燃料ＭＦは、予混合室１７内に流入した時点で第１のスワーラ２０からの高速旋回流の空気ＣＡ１によって微粒化される。したがって、予混合室１７内に流入した液体燃料ＭＦおよび液滴は、その大部分が蒸発して空気ＣＡ１と混合し、予混合気となる。しかしながら、この予混合気中に未蒸発の小さな粒の燃料液滴が残存している場合がある。
【００２３】
前記予混合気中に残存している燃料液滴は、第１のスワーラ２０を通った高速旋回流の空気ＣＡ１による遠心力によって予混合室１７の外周壁１７ｂに向かって流動するが、その外周壁１７ｂにおける燃料液滴の衝突が予測される箇所には第２のスワーラ２１から空気が導入される。そのため、前記燃料液滴は、予混合室１７の外周壁１７ｂの内面に衝突する前に第２のスワーラ２１からの旋回流の空気ＣＡ２によって予混合室１７の中心部分に吹き戻されたのち、上流側からの前記予混合気および第２のスワーラ２１からの旋回流の空気ＣＡ２と均一に混合されて、ＮＯ_Ｘ の低減に適した所定の空燃比の希釈予混合気となって燃焼室Ｃに送られ、拡散燃焼領域Ｓ１の燃焼炎によって燃焼し、拡散燃焼領域Ｓ１の外側から下流側にかけて拡がる希薄予混合燃焼領域Ｓ２を形成する。したがって、この燃焼器２はＮＯ_Ｘ を効果的に低減することができる。
【００２４】
また、この燃焼器２では、上述したように予混合室１７に入る空気ＣＡの６０〜８０％が上流側の第１の空気入口１８から導入され、残部が下流側の第２の空気入口１９から導入されるように設定されている。第１の空気入口１８から入る空気が６０％未満では、液体燃料ＭＦの蒸発および混合が不十分となる。第１の空気入口１８から入る空気が８０％を越えると、第２の空気入口１９から流入する空気ＣＡが不足して予混合気中に残存する燃料液滴が外周壁１７ｂの内面に付着することを防止できない。
【００２５】
さらに、前記燃焼器２では、上述したように第１のスワーラ２０による空気の旋回力を第２のスワーラ２１の旋回力よりも強く設定しているので、第１のスワーラ２０からの強い高速旋回流の空気ＣＡ１により液体燃料ＭＦが短時間で空気ＣＡ１と十分混合することができる。混合気が強い旋回流のままで予混合室１７から内筒１０内に入ると、遠心力が大きいために、内筒１０の周壁に向かって矢印Ｊで示すように流れる。その結果、拡散燃焼領域Ｓ１の圧力が下がって、拡散燃焼領域Ｓ１への戻りＫが強くなる。そこで、下流側の第２のスワーラ２１の旋回力を第１のスワーラ２０よりも弱くしておくことにより、内筒１０内に入る混合気の旋回を適正にして、燃焼ガスＧの拡散燃焼領域Ｓ１への戻り速度を小さくし、これによって、拡散燃焼領域Ｓ１の頭部、つまりパイロットノズル１３の先端部の焼損を防止できるとともに、拡散燃焼領域Ｓ１の火炎を安定化できる。
【００２６】
なお、前記実施形態では、第２の空気入口１９から予混合室１７に流入する空気ＣＡ２に第２のスワーラ２１で旋回を付与する場合を例示して説明したが、上述の説明から明らかなように、第２の空気入口１９から予混合室１７内に流入する空気ＣＡ２は、第１の空気入口１８からの高速旋回流の空気ＣＡ１により生成された予混合気中になおも残存する燃料液滴を予混合室１７の外周壁１７ｂへの衝突を防止するものであるから、特に旋回は要件でなく、第２のスワーラ２１を割愛してもよい。
【００２７】
図３は、本発明の第２実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器２Ａの要部を示す縦断面図であり、同図において、図２と同一若しくは相当するものには同一の符号を付して、詳しい説明を省略する。この燃焼器２Ａでは、予混合室１７が、上端部に第１の空気入口１８を有する傾斜した環状である。第２の空気入口１９は、第１の空気入口１８からの流入空気ＣＡ１と液体燃料ＭＦとの予混合気の旋回領域に臨む位置において、予混合室１７の軸心に対し小さな交差角度で予混合室１７の出口２３に向いた配置で予混合室１７の外周壁１７ｂに設けられており、その外周壁１７ｂにおける配設箇所は、予混合室１７に流入した液体燃料ＭＦが衝突しようとする位置に設定されている。前記両空気入口１８，１９には、第１および第２のスワーラ３０，３１が設けられている。
【００２８】
また、燃料噴射弁２８と共に燃料噴射装置２４を構成する噴射チューブ３２は、予混合室１７に対しこれの空気流に対して小さな交差角度で液体燃料ＭＦを噴射できる相対位置に配置して設けられている。噴射チューブ３２の入口３２ａと燃料噴射弁２８との間に隙間２９が設けられているのは、第１実施形態と同様であるが、第１のスワーラ３０の通路幅Ｗに対し、第１実施形態と同様の突出量ｄに設定して予混合室１７内に突出された噴射チューブ３２の出口３２ｂは、予混合室１７内の空気流ＣＡ１との交差角度が小さくなるように斜めにカットされた形状になっている。前記突出量ｄは、出口３２ｂの最大突出量である。
【００２９】
この燃焼器２Ａでは、燃料噴射弁２８から噴射されて予混合室１７内に流入した液体燃料ＭＦは、第１のスワーラ３０を通過して旋回流を付与された空気ＣＡ１と混合される。そののち、その予混合気中になおも残存する未蒸発の燃料液滴は、第２のスワーラ３１を通過して旋回流を付与された空気ＣＡ２によって、外周壁１７ｂの内面に付着することなく、燃焼室Ｃ内に流入する。
【００３０】
なお、本発明は、図４に示したタイプの予混合型燃焼器にも適用することができる。すなわち、図４の予混合室５２の外壁面５２におけるメインノズル５４から予混合室５２内に流入したメイン液体燃料ＭＦが衝突しようとする箇所Ｐに、予混合室５２内に空気を導入する環状の第２の空気入口を設ければ、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、本発明はマルチバーナタイプの燃焼器にも適用することができる。すなわち、燃焼器の頭部における中心部に設けられたパイロットバーナーの周囲に、前記実施形態で示した燃料噴射装置２４と第１および第２の空気入口１８，１９とを備えた予混合室１７を、パイロットバーナと同心状に複数（例えば４〜８個）配設すれば、前記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器によれば、予混合室内に流入した液体燃料は、その全てが確実に空気と混合し、ＮＯ_Ｘ の低減に適した所要の空燃比の予混合気となって燃焼室に送られるから、ＮＯ_Ｘ を効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器が適用されるガスタージンエンジンを示した概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器の要部を示す縦断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る液体燃料焚き低ＮＯ_Ｘ 燃焼器の要部を示す縦断面図である。
【図４】従来の予混合型燃焼器の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
２，２Ａ…燃焼器、１７…予混合室、１７ｂ…外周壁、１８…第１の空気入口、１９…第２の空気入口、２０，２１，３０，３１…スワーラ、２４…燃料噴射装置、ＣＡ，ＣＡ１，ＣＡ２…空気、ＭＦ…液体燃料、Ｓ１，Ｓ２…燃焼領域。

Claims (3)

1. 燃焼領域の上流側に形成されて、液体燃料と空気とを混合させて予混合気を作る予混合室と、
   前記予混合室に前記液体燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   前記予混合室に前記空気を予混合室の軸心回りに旋回させながら導入して前記液体燃料と混合させる第１の空気入口と、
   前記第１の空気入口の下流側で前記予混合室の外周壁に形成されて、予混合室に径方向内方に空気を導入する環状の第２の空気入口とが設けられ、
   前記燃料噴射装置が、前記予混合室内に出口を持ち、噴射角度を制限して予混合室の周壁に当たる液体燃料の量を抑制する噴射チューブと、この噴射チューブ内にその入口から前記液体燃料を噴射する燃料噴射弁とを有しているガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器。
2. 請求項１において、
   前記予混合室に入る空気の６０〜８０％が前記第１の空気入口から導入され、残部が前記第２の空気入口から導入されるように設定されているガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器。
3. 請求項１または２において、
   前記第１および第２の空気入口に、空気を旋回させるスワーラが設けられ、前記第１の空気入口のスワーラによる旋回力の方が前記第２のスワーラの旋回力よりも強く設定されているガスタービンエンジン用の液体燃料焚き低ＮＯ_X 燃焼器。

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