JP5591269B2 - 加熱処理設備及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、間接加熱乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して、前記乾燥機の熱源として利用する加熱処理設備及び方法に関し、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥した後に加熱処理して焼却したり、可燃性ガスや炭化物を回収する設備に適用可能なものである。
昨今、バイオマス、石炭、オイルシェール、オイルサンド等を熱分解して可燃性ガスや炭化物を生産するプロセスが各種開発されている。そして、これらの物質を熱分解工程に供給される前に予備乾燥すると、より経済的に加熱処理することができる。
ここで、予備乾燥するための乾燥機としては、蒸気等の熱媒を加熱源とし、被処理物と熱媒を直接接触させることなく被処理物を乾燥させる間接加熱型乾燥機、燃料を燃焼させ、生じた熱風を直接被処理物と接触させる直接加熱型乾燥機、及び間接加熱と直接加熱を併用した乾燥機が知られている。
特開2005−279331号公報
従来、これら乾燥機で用いられた乾燥排ガスは、塵埃や有害物質を除去した後に排出され、乾燥排ガスの熱量(主に蒸気の潜熱)は有効に回収されていなかった。尚、乾燥排ガスから熱回収して温水を得て、この温水を加熱源として減圧下において間接加熱で乾燥する方法(特許文献1)は知られているものの、この方法では加熱源の温度が低く経済的な乾燥が困難であった。
そこで本発明者は、特願2010−238228号において、乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して、乾燥機の熱源として有効に利用することができる態様を提案し、その有効性は確認済みである。
乾燥排ガスから熱回収して温水を得、温水を加熱源として蒸発缶によって蒸気を得る場合、温水の温度は通常100℃以下であることから、蒸発缶を負圧下で操作し、温水よりも低い温度で蒸発させる必要がある。この蒸気を乾燥の熱源として利用しようとする場合、温度が100℃以下であるため効率の良い乾燥ができないため、蒸気を圧縮する等して温度を上げる必要がある。
しかし、機械式昇圧機で負圧下から昇圧しようとしても、昇圧機の構造上エアの漏れ込みなどにより、乾燥機の熱源として使用する蒸気としては適当ではなかった。たとえば、5%の漏れこみ空気により、交換熱量が約30%低下する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して、乾燥機の熱源として利用する加熱処理設備及び方法を提供することにある。
他の課題は、熱回収により生成された蒸気が負圧であっても乾燥機の熱源として好適な蒸気を製造することにある。
請求項1に係る加熱処理設備は、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱する加熱処理設備とを含む加熱処理設備において、
前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの保有熱を回収して第1の蒸気を発生させる第1蒸気発生手段と、
前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガスの少なくとも一方を熱源とする第2の蒸気を発生させる第2蒸気発生手段と、
第2蒸気発生手段で発生させた第2の蒸気を駆動源として、前記第1の蒸気を昇圧する第1昇圧手段と、
前第1昇圧手段により昇圧させた蒸気を機械的に圧縮する機械圧縮手段と、
前記機械圧縮手段よる圧縮蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源として供給する機械圧縮蒸気供給手段とを備えた、
ことを特徴とする加熱処理である。
本発明における間接加熱型乾燥機とは、乾燥機には、蒸気等の熱媒を加熱源とする間接加熱型乾燥機、化石燃料を燃焼させて生成した熱風を加熱源とする直接加熱型乾燥機、及び間接加熱と直接加熱を併用した乾燥機があるが、化石燃料を燃焼させて生成した熱風を加熱源とする直接加熱型乾燥機を除くものをいう。
本発明における間接加熱型乾燥機としては、ディスク型乾燥機(インクラインドディスクドライヤ)、スチームチューブドライヤ、間接加熱管付き流動乾燥機などがある。
本発明における加熱処理とは、乾燥した被処理物を加熱する処理であればよく、炭化やガス化などの熱分解、焼却など燃焼を含む。
本発明の概要構成を図3に図示し(図3の形態に限定されない)、理解の容易化を図ったので参照されたい。
(作用効果)
蒸気温度(圧力)が高いほど乾燥機はコンパクトにでき経済的である。一方高温(高圧)蒸気を得るにはランニングコストがかかる。従って最適な蒸気温度(圧力)が存在する。本発明によれば、熱回収により生成された蒸気が負圧であっても乾燥機の熱源として好適な蒸気を製造することができる。
請求項2に係る加熱処理設備は、前記第1蒸気発生手段が、真空蒸発缶であって、前記第1昇圧手段が、エゼクターであり、第2蒸気発生手段で発生させた第2の蒸気を駆動蒸気として、前記第1蒸気発生手段により発生させた第1の蒸気を吸引して昇圧するとともに、前記吸引により真空蒸発缶内を大気圧以下とする構成である請求項1記載の加熱処理設備である。
前記第1蒸気発生手段が、真空蒸発缶とし、第1昇圧手段としてエゼクターとすることで、エゼクターによる吸引力によって真空蒸発缶内を大気圧以下とすることで蒸発缶内で蒸気を発生することが可能となり、さらに、発生した蒸気がエゼクターにより昇圧を確実に行なわせることができる。
請求項3に係る発明は、前記間接加熱型乾燥機での蒸気の凝縮液を第1蒸気発生手段及び第2蒸気発生手段の少なくとも一方に蒸気源として返送する請求項1または2記載の加熱処理設備である。
蒸気源として返送するので、蒸気量の増大を図ることができる。
請求項4に係る加熱処理方法は、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱する加熱処理設備とを使用する加熱処理方法において、
前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの保有熱を回収して第1の蒸気を発生させる第1蒸気発生工程と、
前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガスの少なくとも一方を熱源とする第2の蒸気を発生させる第2蒸気発生工程と、
第2蒸気発生工程で発生させた第2の蒸気を駆動源として、前記第1の蒸気を昇圧する第1昇圧工程と、
前第1昇圧工程により昇圧させた蒸気を機械的に圧縮する機械圧縮工程と、
前記機械圧縮工程よる圧縮蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源として供給する機械圧縮蒸気供給工程とを備えた、
ことを特徴とする加熱処理方法である。
請求項1と実質的に同一の作用効果を奏する。
以上に示したように本発明によれば、乾燥機で発生する乾燥排ガスの熱量を経済的に回収して、乾燥機の熱源として利用する加熱処理設備を提供することができる。
また、本発明によれば、水分及び有機物を含む被処理物を乾燥した後に、加熱設備で被処理物を加熱する際において、乾燥排ガスから経済的に熱回収して有効に乾燥用の熱源とすることができるようになった。
例えば、処理量が下水汚泥100t/日の場合、従来の燃料の燃焼による熱風乾燥設備付炭化設備と比較して、本発明によれば、下水汚泥の処理単価は1,700円/t低減され、換算CO2の排出量は2,600t/年に削減されるようになる。
さらに、本発明によれば、熱回収により生成された蒸気が負圧であっても乾燥機の熱源として好適な蒸気を製造することができる。
本発明の間接加熱型乾燥機の一実施の形態に係るスチームチューブドライヤの一部破断した斜視図である。 本実施の形態に係わる下水汚泥の乾燥・炭化設備を示す概略図である。 本発明の概要説明図である。
本発明に係る加熱処理設備の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。まず、本実施の形態を説明するに先立って、理解を深めるために本発明の実施の形態に適用される間接加熱型乾燥機であるスチームチューブドライヤ(STD)の例について、図1に基づき予め説明する。
図1に示すこのスチームチューブドライヤ3は、軸心周りに回転自在とされる回転筒30内において、両端板間に軸心と並行に複数の加熱管31が配管されていて、回転継手50に取付けられた熱媒体入口管51を通して、これらの加熱管31に熱媒体としての加熱蒸気が供給され、各加熱管31に流通された後、熱媒体出口管52を介してこの加熱蒸気Kのドレンが排出されるようになっている。
そして、被処理物を回転筒30内に装入するためにスクリュー等を有した図示しない装入装置がこのスチームチューブドライヤ3には備えられている。この装入装置の挿入口53より回転筒30内にその一端側から投入された被処理物である例えば水分を含有した有機物などを、加熱蒸気Kにより加熱した加熱管31と接触させて乾燥させるようなる。これとともに回転筒30が下り勾配をもって設置されていることで、排出口54方向に順次円滑に移動させて、回転筒30の他端側からこの被処理物を連続的に排出させるようになっている。
図1に示されるように、回転筒30は基台36の上に設置され、回転筒30の軸心と並行に相互に間隔を置いて配された2組の支承ローラ35によって、タイヤ34を介して支承されている。回転筒30の下り勾配および直径に合わせて2組の支承ローラ35間の幅およびそれらの長手方向傾斜角度が選択される。
一方、回転筒30を回転させるために、回転筒30の周囲には、従動ギア40が設けられており、これに駆動ギア43が噛合し、原動機41の回転力が減速機42を介して伝達され、回転筒30の軸心回りに回転するようになっている。さらに、回転筒30の内部には、キャリアガス入口61からキャリアガスが導入され、これらキャリアガスは被処理物である有機物に含有される水分が蒸発した蒸気を同伴してキャリアガス排出口62より排出される。
なお、上記スチームチューブドライヤ3の全体構成は一例であり、本発明は上記構成により限定されるものではない。
図2は、本実施の形態に係わる下水汚泥の乾燥・炭化設備を示す概略図である。
なお、本実施例中で記載される圧力は、絶対圧基準である。
図2に示すように、スチームチューブドライヤ3の装入側にパドル式や多軸式などの混合機2が配置されていて、この混合機2において、汚泥供給ポンプ1からのたとえば水分75〜85%の下水汚泥と戻し用コンベア8を介して戻る乾燥品と混合され、水分が約30%程度にされる。混合品はスチームチューブドライヤ3において水分が約10%程度の乾燥品Sとして乾燥される。
スチームチューブドライヤ3から排出された乾燥排ガスGが、乾燥排ガス湿式スクラバー9に送り込まれるようになっており、この乾燥排ガス湿式スクラバー9で回収した熱を、蒸発缶加熱器10において熱交換して、蒸発缶11の加熱源としている。
この蒸発缶11(乾燥排ガス湿式スクラバー9及び蒸発缶加熱器10とともに第1蒸気発生手段を構成する)において第1の蒸気を発生させ、この第1の蒸気を第1昇圧手段としてのエゼクター12により昇圧する。この蒸発缶11は、真空蒸発缶であることが好ましい。蒸発缶11内の圧力は、エゼクター12を駆動した際に生じる吸引力によって大気圧以下となる。エゼクター12により昇圧された蒸気を、第2昇圧手段としての圧縮機13により、さらに圧縮し、圧縮蒸気をスチームチューブドライヤ3に径路22を介して送り込み、加熱用の加熱蒸気として用いられる。一部はトレースとして別用途又は破棄される。スチームチューブドライヤ3で加熱後のドレンは、径路23を介して蒸発缶11及びボイラ19の少なくとも一方に送り込まれる。
この例では、乾燥排ガス湿式スクラバー9と蒸発缶加熱器10と蒸発缶11とで第1蒸気発生手段を構成したが、乾燥排ガス湿式スクラバー9とヒートポンプで第1蒸気発生手段を構成することもできる。
一方、スチームチューブドライヤ3での乾燥品Sは、その排出側の下部の乾燥品移送コンベア4に乗せて排出された後、篩5で篩分けされ、小粒子の乾燥品S1は戻し用ホッパー7に集められる。大粒子の乾燥品S2は乾燥品ホッパー14に送られるほか、一部は破砕機6において粉砕された後に戻し用ホッパー7に集められる。
戻し用ホッパー7から、小粒子の乾燥品S1が切り出され、戻し用コンベア8に乗せて、混合機2に送られ、下水汚泥と混合された後に、スチームチューブドライヤ3に戻るようになっている。
他方、乾品ホッパー14の下部からは、大粒子の乾燥品S2が乾品移送コンベア15に乗せて、加熱設備である炭化炉16に投入できるようになっており、炭化炉16において(加熱)炭化処理されるようになる。
炭化炉16には、炭化炉用熱風発生炉17において燃料を燃焼させることで生じる熱風が送り込まれる。炭化炉16からは可燃性ガスNが排出され、燃料要素としてアフターバーナー18に送り込まれ、空気と燃料とともにこの可燃性ガスNが燃焼される。また、ボイラ19で発生した蒸気は、第1昇圧手段としてのエゼクター12に送られ、蒸気ボイラ19での発生蒸気を駆動源として、蒸発缶11にて発生した蒸気を昇圧する。蒸気ボイラ19の排ガスは熱交換器20を介して排ガス処理器21で処理されて、外部に排出される。熱交換器20では、乾燥排ガス湿式スクラバー9からの排ガスを加熱して、スチームチューブドライヤ3に送入するように構成している。
次に、加熱処理設備における具体的な工程を説明する。
汚泥供給ポンプ1にたとえば水分75%〜85%の下水汚泥が供給され、この下水汚泥は混合機2に送られて乾燥品S1と混合され、水分約30%程度の被処理物S0とされる。この水分及び有機物を含む被処理物S0は、間接加熱型乾燥機であるスチームチューブドライヤ3に供給され、この混合品S0の水分がたとえば約10%にまで乾燥され、乾燥品Sとされる。
この際、このスチームチューブドライヤ3から、露点が望ましくは80℃〜100℃(約85℃程度が最適)の乾燥排ガスGが排出されるが、この乾燥排ガスGは、たとえば複数段から構成される乾燥排ガス湿式スクラバー9に送られ冷却・除湿される。そして、乾燥排ガス湿式スクラバー9の最下段の出口のガス温度が高いほど、蒸発缶11にて高圧蒸気が経済的に回収できるものの、ガス温度が高い場合には、乾燥排ガス湿式スクラバー9で回収する熱量は低下する。この際、乾燥排ガス湿式スクラバー9の最下段の出口でのガス温度が60℃〜80℃になるように運転するのが好適である。
スチームチューブドライヤ3で用いられたキャリアガスが、乾燥排ガスGとしてこのスチームチューブドライヤ3から排出されるが、乾燥排ガスGを乾燥排ガス湿式スクラバー9で処理して、スクラバー循環水に乾燥排ガスGの熱を移行させることで、熱回収する。そして、この乾燥排ガス湿式スクラバー9の最終段の出口温度は、特に制限は無いが30〜40℃程度が好適である。湿式スクラバー9から排出されたキャリアガスは循環ブロワなどの送風手段を経て、その一部がアフターバ−ナ−9に供給され、その他は加熱されたのち、循環利用される。
乾燥排ガス湿式スクラバー9の最下段で回収した熱は、蒸発缶加熱器10において蒸発缶11内の液を加熱し、蒸気を発生させる。蒸発缶11は、エゼクター12の駆動に伴い内部圧力が大気圧以下とされる。蒸発缶11で発生させる蒸気圧力は、0.015〜0.05MPa程度となり、乾燥排ガス湿式スクラバー9の最下段の出口でのガス温度の飽和蒸気圧力以下である。この圧力では乾燥効率が低く、この蒸気を加熱源とする乾燥機の大型化が避けられないため、蒸発缶11で発生させた低圧蒸気をエゼクター12に送り込み昇圧する。
他方、このスチームチューブドライヤ3で乾燥処理された乾燥品Sは、移送コンベア4で篩5に送られて、大粒子と小粒子とに篩分けられる。篩分けされた大粒子の一部は、破砕機6で破砕された後、戻し用ホッパー7に送られる。また、篩分けされた小粒子は、戻し用ホッパー7に直接送られる。戻し用ホッパー7で切り出された乾燥品S1は、戻し用コンベア8で混合機2に送られた後、下水汚泥(被処理物)と混合される。
これらと別に篩分けの大粒子の残りは、乾品ホッパー14に送られ、切り出された後、乾品移送コンベア15により、たとえば外熱キルン型の炭化炉16に送られ、この炭化炉16において250℃〜600℃で熱分解されて炭化物と可燃性ガスNになる。この際、熱分解は吸熱反応なので、炭化炉用熱風発生炉17において燃料を燃焼させて生じた熱風で間接加熱される。そして、炭化炉16から排出された炭化物は図示しない冷却機で冷却された後、搬出される一方、可燃性ガスNはアフターバーナー18で燃焼される。
次に、アフターバーナー18で燃焼材料である可燃性ガスNが燃焼されて生じた排ガスは、ダクトなどの供給経路を通じてボイラ19へ供給される。排ガスの保有する熱により、ボイラ19で0.8Mpa以上望むらくは、1.6MPa以上の蒸気を発生させる。この際にボイラ19から排出される排ガスにより、乾燥排ガス湿式スクラバー9の排出ガスを径路24を介して搬送し、熱交換器20で加熱して、この乾燥排ガス湿式スクラバー9の排出ガスをスチームチューブドライヤ3でキャリアガスとして用いるようにする。この後、ボイラ19からの排ガスは排ガス処理器21で処理された後、大気に放出される。
一方、蒸発缶11で発生させた低圧の第1の蒸気を更に昇圧する。つまり、ボイラ19で発生させた高圧の第2の蒸気を径路25を介してエゼクター12に送り、高圧の第2の蒸気を駆動源として、蒸発缶11で発生させた低圧の第1の蒸気を吸引し、昇圧する。
この昇圧蒸気は、機械圧縮機13により圧縮した後、最終的に、好適には0.2MPa〜0.8MPaの昇圧蒸気をスチームチューブドライヤ3に供給して、このスチームチューブドライヤ3で混合品S0を乾燥品Sとするべく乾燥する。
本実施の形態における各工程の変形例としては、以下のものが考えられる。
まず、上記実施の形態おいては、乾燥排ガスGから熱回収して蒸気を得るが、この際の乾燥排ガスGから熱回収する方法として、本実施の形態では乾燥排ガスGを乾燥排ガス湿式スクラバー9等で処理してスクラバー循環水に乾燥排ガスGの熱を移行させて循環水として熱回収する方法を用いたが、乾燥排ガスGから熱交換器等により直接熱回収する方法を用いても良い。
さらに、乾燥排ガスGの回収熱から蒸気を得る方法として、回収熱を熱源とする水の蒸発缶11で0.015〜0.05MPaの蒸気を発生させる方法を本実施の形態において用いたが、回収熱を蒸気発生型ヒートポンプに供給して0.1〜0.25MPa程度の蒸気を得る方法を用いても良い。但し、ヒートポンプで0.2MPa以上の蒸気を得ることは成績係数(COP)が低下して経済的でない。
乾燥排ガスからの回収熱の温度の上限値は乾燥排ガスGの露点とほぼ等しいので、蒸発缶11で発生させる蒸気圧力は、乾燥排ガスGの露点温度の飽和水蒸気圧以下になるが、より高い圧力の蒸気を蒸発させるためには、乾燥排ガスGの露点は高いほど良い。但し、乾燥排ガスGの露点を高くした場合、間接加熱型乾燥機において恒率乾燥で品温が乾燥排ガスGの露点とほぼ等しくなるので、加熱源との温度差が小さくなり、間接加熱型乾燥機の乾燥能力が低下する。従って、最適な乾燥排ガスGの露点が存在することになる。ここで、乾燥排ガスGの露点は、間接加熱型乾燥機で蒸発する水分量にもよるが、80℃〜100℃が好適である。
昇圧蒸気を圧縮機13で圧縮し昇圧する。この際、圧縮機13の種類は特に制限は無いが、ミスト対策の必要がないスクリュー式圧縮機が好適である。この場合における圧縮機13での圧縮比(吐出圧力と吸込み圧力の比)は、2〜10の範囲が経済的である。ルーツブロワや多段ブロワなども使用できる。
乾燥品Sの加熱処理は、炭化処理に限定されるものではなく、たとえばガス化処理や、焼却処理などを採用することが可能である。
ボイラ19は、公知の廃熱ボイラであり、アフターバーナーから生じた燃焼排ガスNで高圧蒸気を発生させる。アフターバーナーの燃焼材料とされる燃料は特に制限は無いが、熱分解生成物の可燃性ガスN、炭化物、その他の燃料のうち何れでも良い。なお、ボイラ19へ供給される燃焼排ガスNは、該燃料を燃焼させた排ガスを直接用いても良いし、ガスタービン、ガスエンジン等で燃焼させた排ガスを用いても良い。
ところで、被乾燥品が焼却処理されるなど高温の排ガスが排出される処理が行われる場合には、排出された高温の排ガスを直接廃熱ボイラへ供給することができる。
ボイラ19で発生させた高圧蒸気により圧縮機を駆動して、圧縮された蒸気を更に昇圧する。昇圧する方法としては、蒸気タービン駆動の圧縮機でも良いが、実施の形態として示すように、エゼクター12方式が安価で経済的である。
蒸発缶11は直列に複数設置するいわゆる多重効用缶方式を採用してもいよい。
本発明は、樹脂、食品、有機物などの乾燥をはじめとして、木質バイオマスや有機廃棄物などの乾燥などに適用できる。
3 スチームチューブドライヤ(間接加熱型乾燥機)
9 乾燥排ガス湿式スクラバー
10 蒸発缶加熱器
11 蒸発缶
12 エゼクター
13 圧縮機
16 炭化炉(加熱処理設備)
18 アフターバーナー
19 ボイラ

Claims (4)

  1. 水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱する加熱処理設備とを含む加熱処理設備において、
    前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの保有熱を回収して第1の蒸気を発生させる第1蒸気発生手段と、
    前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガスの少なくとも一方を熱源とする第2の蒸気を発生させる第2蒸気発生手段と、
    第2蒸気発生手段で発生させた第2の蒸気を駆動源として、前記第1の蒸気を昇圧する第1昇圧手段と、
    前第1昇圧手段により昇圧させた蒸気を機械的に圧縮する機械圧縮手段と、
    前記機械圧縮手段よる圧縮蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源として供給する機械圧縮蒸気供給手段とを備えた、
    ことを特徴とする加熱処理設備。
  2. 前記第1蒸気発生手段が、真空蒸発缶であって、前記第1昇圧手段が、エゼクターであり、第2蒸気発生手段で発生させた第2の蒸気を駆動蒸気として、前記第1蒸気発生手段により発生させた第1の蒸気を吸引して昇圧するとともに、前記吸引により真空蒸発缶内圧力を大気圧以下とする構成である請求項1記載の加熱処理設備。
  3. 前記間接加熱型乾燥機での蒸気の凝縮液を第1蒸気発生手段及び第2蒸気発生手段の少なくとも一方に蒸気源として返送する請求項1または2記載の加熱処理設備。
  4. 水分及び有機物を含む被処理物を乾燥する、蒸気を加熱源とする間接加熱型乾燥機と、乾燥機により乾燥した被処理物を加熱する加熱処理設備とを使用する加熱処理方法において、
    前記間接加熱型乾燥機で発生する乾燥排ガスの保有熱を回収して第1の蒸気を発生させる第1蒸気発生工程と、
    前記加熱処理設備にて発生する可燃性ガスまたは燃焼排ガスの少なくとも一方を熱源とする第2の蒸気を発生させる第2蒸気発生工程と、
    第2蒸気発生工程で発生させた第2の蒸気を駆動源として、前記第1の蒸気を昇圧する第1昇圧工程と、
    前第1昇圧工程により昇圧させた蒸気を機械的に圧縮する機械圧縮工程と、
    前記機械圧縮工程よる圧縮蒸気を、前記間接加熱型乾燥機で被処理物を乾燥させる加熱源として供給する機械圧縮蒸気供給工程とを備えた、
    ことを特徴とする加熱処理方法。
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