垃圾焚烧炉烟气净化规程.docx

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垃圾焚烧炉烟气净化规程

第四篇烟气净化系统

第一章烟气净化系统

第一节烟气净化系统简介

一锅炉出口烟气成分及有关参数

二烟气净化系统的功能几净化目标

三烟气净化系统的组成

第二节烟气净化系统性能计算

一酸性气体的净化原理及计算

二烟气中有毒有害物的净化原理

三烟气中粉尘的去除

四管道系统及有关计算

第二章半干法反应系统

第一节半干法反应系统概述

一半干法反应法反应系统功能

二半干法反应系统组成部分

第二节旋转雾化器及其附属系统

一旋转雾化器

二旋转雾化器附属系统

三旋转雾化器及其附属系统的运行维护

第三节半干反应塔及其附属设备

一半干反应塔及烟气进口蜗壳设计计算(包括CFD)

二半干反应塔结构

三附属设备及其运行维护(大块破碎器、拌热器)

第三章石灰存储和石灰浆制备系统

第一节石灰存储仓

一社会存储仓组成部分

二石灰存储仓功能及运行维护

第二节石灰浆制备系统

一石灰浆制备系统组成部分

二石灰浆制备系统功能

三石灰浆制备系统设计计算

第三节石灰存储仓和石灰浆制备系统运行维护

一石灰存储仓及其附属设备的运行维护

二石灰浆制备系统运行维护

第四章活性碳存储和计量喷入系统

第一节活性碳存储仓

一活性碳存储仓组成部分

二活性碳存储仓功能

第二节活性碳计量和喷入系统

一活性碳计量和喷入系统组成部分

二活性碳计量和喷入系统功能

三活性碳计量和喷入系统计算

第三节活性碳存储和计量喷入系统运行维护

一活性碳存储仓几其附属设备运行维护

二活性碳计量和喷入系统运行维护

第五章袋式除尘系统

第一节袋式除尘系统概述

一袋式除尘系统入口烟气成分及有关参数

二垃圾焚烧烟气处理对袋式除尘系统的特殊要求

三袋式除尘系统功能及净化目标

第二节袋式除尘系统组成部分及其功能

一袋式除尘烟气净化系统

二压缩空气脉冲喷吹系统

三热风循环系统

四旁路及气密系统

五袋式除尘器出灰

第三节袋式除尘器

一袋式除尘器工作原理

二袋式除尘器计算及参数

三袋式除尘器的组成部分及其功能

四袋式除尘器的结构特点

五袋式除尘器的清灰控制特点

第四节袋式除尘系统运行维护

一袋式除尘系统运行维护

二袋式除尘器运行维护

第六章其他

第一节恶臭气体的防治

一恶臭气体成分和引起原因

二恶臭气体防治原理和方法

三国家标准

第二节噪声的控制

一噪声引起原因

二噪声防治原理和方法

三国家标准

第三节烟气污染的防治

一烟气污染组成和引起原因

二烟气污染防治原则和方法

三国家标准

第一章烟气净化系统

第一节烟气净化系统简介

一锅炉出口烟气成分及有关参数

可燃的生活垃圾基本上是有机物,由大量的碳、氢、氧元素组成。

有些还含有氮、硫、磷和卤素等元素。

这些元素在燃烧过程中与空气中的氧起反应,生成各种氧化物或部分元素的氢化物。

有机碳的焚烧产物是二氧化碳气体。

有机物中的投的焚烧产物是水。

若有氟或氯存在,也可能有它们的氢化物生成。

后垃圾中的有机硫和有机磷,在焚烧过程中掭二氧化硫或三氧化硫以及五氧化二磷。

有机氮化物的焚烧产物主要是气态的氮,也有少量的氮氧化物生成。

由于高温时空气中氧和氮也可结合生成一氧化氮,相对空气中氮来说,生活垃圾中的氮元素含量很少,一般可忽略不计。

有机氟人物的焚烧的焚烧产物是氟化氢,若体系中氢的量不足以所有的氟结合生成氟化氢,可能出现四氟化碳或二氟氧碳(COF2),除非有其它元素存在,例如金属元素,它可与氟结合形成金属氟化物。

添加辅助燃料(CH4、油品)增加氢元素,可以防止四面八方氟化碳或二氟氧碳的生成。

有机氯化物的焚烧产物是氯化氢。

由于氧和氯的电负怕相近,存在着下列可逆反应:

4HCL+O22CL2+2H2O

当体系中氢量不足时,有游离的氯气的生。

添加辅助燃料(天然所或石油)或较高温度的水蒸气(约莫1100℃)可以使上述反应向左进行,减少废气的含量。

烟囱部位的烟气成分的值与垃圾组成、燃烧方式、烟气处理设备有关,垃圾焚烧产生的烟气与其他燃料燃烧产生的烟气在组成上相差较大。

同其他烟气相比,垃圾焚烧烟气的特点JHCL和O浓度特别高,粉尘中的盐分(氯物和硫酸盐)特别高,下表为城市生活垃圾与其他燃料燃烧产生的烟气组成对比。

垃圾与其他燃料燃烧产生的烟气组成对比

成分

燃料

颗粒物/(mg/Nm3)

NOX(mg/L)

SOx/

(mg/L)

HCL/

(mg/L)

H2O/

(mg/L)

温度/℃

LNG、PPG

~10

50~100

0

0

5~10

250~400

低硫磺重油

原油

50~100

100

100~300

0

5~10

270~400

高硫磺重油

100~500

100~500

500~1500

0

5~10

270~~400

100~25000

100~100

500~3000

~30

5~10

250~300

城市垃圾

除尘器前

2000~5000

90~150

20~80

200~800

15~30

200~250

除尘器后

2~100

焚烧过程中一些物质会产生有害气体,有害气体也会和粉尘反应,成为粉尘的一部分。

垃圾中也挥发性氯元素转化为HCL的转化率为100%,燃烧性硫转化为SOX的转化率为100%,氯元素转化为NOx的转化率为10%。

800℃以上,NO和SO2是稳定的化学形态;300℃以下时,NO2、SO3或H2SO4是稳定的化学状态。

但是,300℃以下的烟气实测数据显示,NOx和SOX的95%以上为NO和SO2。

在高温条件下,通过平衡计算的结果与实测值比较接近;而低温条件下,由于停留时间短,计算结果与实测值差异较大。

300℃以下,HgCl2是稳定的化学状态。

大型焚烧炉的烟气温度在300℃以下,气体中的汞几乎都HgCl2形式存在,90%是水溶性的。

烟气中HCL来源于含氯的塑料,SOX来源于纸张和厨房垃圾。

烟气中的HCL与粉尘中的碱性成分易发生反应。

SOX易与粉尘中的碱性成分和氯化物发生反应。

烟气中汞(Hg)的化学形态在炉内基本上是汞蒸气,以燃烧室、静电除尘器后基本转变为氯化汞(HgCl2)。

重金属、盐分在高温炉内部分气化,但在烟气冷却过程中凝聚,成为粉尘。

下表为烟气中污染物的来源、产生原因及存在形态。

污染物

来源

产生原因

存在形态

酸性气体

HCL

PVC、其它氯代碳氢化合物

——

气态

HF

氟化碳氢化合物

——

气态

SO2

橡胶及其它含硫组分

——

气态

HBR

火焰延缓剂

——

气态

NOX

丙烯腈、胺

热NOx

气态

CO与碳氢化合物

CO

——

不完全燃烧

气态

未燃烧的碳氢化合物

溶剂

不完全燃烧

气、固态

二噁英、呋喃

多种来源

化合物的离解及重新合成

气、固态

颗粒物

粉末、沙

挥发性物质的凝结

固态

重金属

Hg

温度计、电子元件、电池

——

气态

Cd

涂料、电池、稳定剂/软化剂

——

气、固态

Pb

多种来源

——

气、固态

Zn

镀锌原料

——

固态

Cr

不锈钢

——

固态

Ni

不锈钢NI-Cd电池

——

固态

其它

——

气、固态

 

下面介绍一下深圳南山垃圾电厂污染物排放的具体情况,根据《深圳市南山垃圾焚烧发电厂环境影响报告书》(深圳市环境科学研究所,2001/11),本工程主要废气污染物排放情况如下表所示。

主要废气污染物排放表

垃圾焚烧量

(t/d)

单位

SO2

HCl

NOX

烟尘

CO

800

处理前排放量

t/d

1.5018

1.6593

0.4583

12--16

0.327

处理后排放量

t/d

0.37545

0.16593

0.4583

0.06—0.08

0.327

处理前排放浓度

(Mg/Nm3)

459

507

140

3666--4888

<100

处理后排放浓度

(Mg/Nm3)

115

51

140

18--24

<100

GWKB3—200

(Mg/Nm3)

260

75

400

80

150

工程保证值

260

50

400

30

100

设计保证值

220

40

320

10

40

二烟气净化系统的功能及净化目标

生活垃圾焚烧烟气中的污染物可分为颗粒物、(粉尘)、酸性气体(HCL、HF、SOX、NOX)

重金属(HG、PB、CR等)和有机剧毒性污染物(二噁英、呋喃等)四大类为了防止垃圾焚烧过程中对环境产生二次污染,必须采取严格的措施,利用烟气净化系统控制垃圾焚烧烟气的排放。

国外经济发达国家的研究和实践表明,“低温控制和高效颗粒物捕集”是烟气净化系统成功运行的关键因素。

所以在焚烧烟气净化过程中必须将温度控制得尽可能低(露点以上),同时就采用高效除尘器。

烟气净化工艺形式较多,按其系统中是否有废水排出,可分为湿法、半干法、干法三种。

每种工艺都有多种组合形式也各有优缺点。

湿法净化工艺的污染物净化效率最高,可以满足严格的排放标准。

故在国外经济发达国家应用较多,其工艺组合形式也多种多样,涞法净化工艺的特点是流程复杂,配套设备较多,一次性投资和运行费用较高并用后续的废水处理问题。

湿法洗涤净化集除尘和去除其它污染物于一体,在允许的条件下可以不用其它高效除尘设备(静电除尘器和袋式除尘器)。

湿法净化所用吸收剂可以是Ca(OH)2或NaOH。

因CaCO3难溶于水,为避免设备内结垢,衣采用NaOH为好。

湿法净化后烟气的温度大大降低,常需加热后排入大气。

半干法净化工艺不但可以达到较高的污染物净化效率,而且具有投资和运行费用低、流程简单、不产生废水等优点,是一种极有前途的工艺,目前在生活垃圾焚烧厂烟气净化系统中的应用越来越多。

该工艺被美国国家环保局定为生活垃圾焚烧烟气净化最佳工艺。

其缺点是对操作水平(如烟气在喷雾干燥吸收塔中的停留时间,吸收浆液中吸收剂的粒度及浓度等)及喷嘴的要求高。

干法净化工艺的污染物净化效率相对于湿法和半干法而言较人低,但其工艺简单,投资和运行费用明显低于湿法,操作水平要求较低,且不存在后续的废水处理问题。

近几年来,国外发达国家在干法净化设备开发方面不断改进,提高了污染物的净化效率,因而该工艺仍有一定的实用性。

上述三种工艺主要对颗粒物、易支除酸性气体具有很高的净化效率,同时对于重金属、二噁英(PCDDS)、呋喃(PCDFS)等也有较高的去除效率,但对于No净化或活性炭喷射吸附并不能单独构成完整的烟气净化系统,这二种净化措施是对烟气净化主体工艺(湿法、半干法或干法)的完善和补充。

烟气净化系统的目标是要保证烟氢气中污染物的排放值在国家标准的限值范围以内,下表为烟气排放的国家标准及深圳南山垃圾焚烧发电厂的设计保证值。

大气污染排放限值和南山垃圾焚烧发电厂设计保证值

污染因子

单位

欧共体标准(1989)

国家标准(2000)

南山电厂保证值

南山电厂设计值

 

烟尘

mg/mn3

30

80

30

10

烟气黑度

林格曼黑度级

≤1

≤1

≤1

一氧化碳

mg/mn3

100

150

100

40

氮氧化物

mg/mn3

400

400

400

320

二氧化硫

mg/mn3

300

260

260

220

氯化氢

mg/mn3

50

75

50

40

氟化氢

mg/mn3

2-4

2

1

汞+铬

mg/mn3

1.0

汞0.2镉0.1

0.2

0.1

镍+砷

mg/mn3

1.0

1.0

0.2

铅+铬+锰

mg/mn3

5.0

铅1.6

5.0

1.0

二噁英

ngTEQ/mn3

1.0

1.0

1.0

<0.1

注:

1)本表规定的各项标准限值,均以标准状态下含11%O2的干烟气为参考值换算。

2)烟气最高黑度时间,在任何1小时内累计不超过5分钟。

 

三烟气净化系统的组成

烟气净化系统通常是由一个主体净化工艺如半干法、干法、湿法、再辅以氮氧化物净化及活性碳喷射吸附组成。

下面介绍深圳南山垃圾电厂的系统组成,其常用的半干法净化工艺将在以后章节作详细介绍。

深圳南山垃圾焚烧电厂的烟气净化系统采用半干式喷溅雾吸收塔加布袋除尘器的净化方法;二恶英的排放则通过烟气在炉内850℃、2秒钟以上的停留时间尽量予以分解而得到控制。

烟气净化系统考虑了预留技术改进的余地,以满足国家未来污染物排放标准提高的可能。

垃圾在燃烧的过程中产生的二恶英类物质对人体有较强的毒性和致癌性。

二恶习英类物质具有在环境温度800℃以上开始分解的特点,故其生成量可以通过合理地组织燃烧过程来进行控制。

烟气中酸性气体如HCL等通过喷钙的手段来达到去除的目的。

Cao与HCL反应最佳温度约为140℃左右,从余热炉出来的烟气温度较高,为增加反应塔的脱酸效率,需通过换热器或喷水调节烟温。

采用干式脱酸,化学当量比达到3左右其酸性气体(对HCL而言)去除效率一般在50-80%,除酸用石灰计量大;半干式脱酸是将氧化钙制备成氢氧化钙溶液,其除酸效率可达90%以上。

其系统流程图及相关说明如下:

该厂余热锅炉出口的烟气额定温度为200℃,进入反应塔进行冷却并与石灰浆雾滴接触,二者进行反应去除酸性气体(HCL、SOX、HF)和重金属等。

小部分粗颗粒烟尘、反应生成物(固态)和未完全反应的石灰在反应塔的底部除下,大部分随烟气进入袋式除尘器被捕集下来。

在反应塔和袋式除尘器之间喷入活性碳吸收剂,其微孔结构确保二噁英和汞蒸气的吸附。

半干法反应塔和旋转雾化器

反应塔及旋转雾化器具有如下功能:

使烟气在反应塔内分布均匀;强化烟气与雾滴的混合和接触;提供足够的停留反应时间;高温烟气与冷却水和石灰浆雾滴之间的热交换使水分蒸发烟气温度降至150℃,以此得到最有效的反应温度,同时又在有限的时间段内获得干燥的反应物;根据除酸所需的最佳温度和所要求达到的排放标准自动控制冷却水和石灰浆的用量。

通过这些功能的实现来获得最佳的除酸效果。

 

第二节烟气净化系统性能计算

一酸性气体净化原理及有关计算

(1)HCL、HF、SOx的净化HCL、HF、SOx的去除机理是酸碱中和反应。

碱性吸收剂(如NaOH、Ca(OH)2)以液态液/固态或固态的形式与以上污染物发生化学反应,涉及的主要反应如下:

HCL+NaOHNaCl+HaO

2HCl+Ca(OH)2CaCl+H2O

HF+NaOHNaF+H2O

2HF+Ca(OH)CaF2+2H2O

SO2+2NOHNaSO3+H2O

SO2+C(OH)2CaSO3+H2O

从理论上讲,强碱性吸收剂与酸性污染物的反应在极短的时间内就可以完成,但由于该反应涉及到“气-液”或“气-固”物理传质过程,使得污染物的去除效率决定于传质效果。

二相之间的传质分为三步,即:

被成分从气体相主体到“气-液”或“气-固”界面的传质过程、界面上的溶解平衡过程、从界面到“液”或“固”相主体和扩散过程。

可用一公式将以上三步归纳为:

NA=KPA•S•(CGA-CSA)=KGA•S•(PGA-PSA)

上式中,NA为单位时间,单位面积上传质的量,KPA和KGA是分别以浓度和分压力表示的A组分的传质系数,S为吸收传质表面积,括号中二各数值的差反应了传质推动力的大小,NA越大,则A组分污染物的去除效率越高,而NA的大小决定于传质系数,传质表面积,和传质推动力。

传质系数反映了传质阻力的大小,阻力越大,相应的系数越小。

因“气-液”传质系数大于“气-固”传质系数,所以,在其他条件相同的条件下,湿法的效率明显高于干法,另外,增加吸收剂的经比表面积和“吸收剂/污染物”的当量比也可使净化效率增加。

然而,在实际操作过程中,更重要的是通过足够的停留时间来保证污染物的高效去除。

(2)NOx净化技术

NOx的净化是最困难且费用最昂贵的技术。

这是由于NO的惰性(不易发生化学反应)和难溶于水的性质决定的。

垃圾焚烧烟气中的NOx以NO为主,其含量高达95%或更多,利用常规的化学吸收法很难达到有效去除。

除常规的选择性非催化还原法宝SNCR)外,还有选择性催化还原法(SCR)、氧化吸收法、吸收还原法等。

其中,SNCR法在垃圾焚烧烟气净化中应用最多。

氧化吸收法和吸收还原法是和与湿法净化工艺结合在一起共同使用的。

氧化吸收法是在湿法净化系统的吸收剂溶液中加入强氧化剂如NaClO2,将烟气中的NO氧化为NO2,NO2再被钠碱吸收剂吸收去除。

吸收还原法是在湿法系统中加入Fe2+离子,Fe2+离子将NO包围,形成EDTA化合物,EDTA再被与吸收剂溶液中的HSO—3和SO2—3反应,最终放出N2和SO42—作为最终产物。

据国外资料报道,吸收还原法的化学添加剂费用低于氧化吸收法。

二烟气中有毒有害物质的净化原理

有机污染物的净化

PCDDs、PCDFs和其它痕量级有机污染物的净化越来越受到发达国家的重视,我国新颁布的《生活垃圾焚烧污染控制标准》中也对PCDDs、PCDFs的排放浓度有了严格的规定。

国内外的研究和实践表明,减少垃圾焚烧厂烟气中PCDDs、PCDFs浓度的主要方法是控制PCDDs、PCDFs生成。

控制措施主要包括以下几方面。

(一)选用合适的炉膛和炉排结构、使垃圾在焚烧炉得以充分燃烧。

而衡量垃圾是否充分燃烧的重要指标之一是烟气中CO的浓度,CO的浓度越低说明燃烧越充分,烟气中CO浓度比较理想的是低于60mg/Nm3。

(二)控制炉膛及二次燃烧室内,或在进入余热锅炉前烟道内的烟气温度不低于850℃,

O2浓度不少于6%,并合理控制助燃空气的风量、温度和注入位置,也称“三T”控制法。

(三)缩短烟气在处理和排放过程中处于300-500℃温度域的时间,控制余热锅炉的排烟温度不超过250℃左右。

(四)选用新型袋式除尘器,控制除尘器入口处的烟乞温度低于200℃,并在进入袋式除尘器的烟道上设置活性碳等反应剂的喷射装置,进一步吸附二噁英。

(五)在生活垃圾焚烧厂中设置先进、完善和可靠的全套自动控制系统,使焚烧和净化工艺得以良好执行。

(六)通过分类收集或预分拣控制生活垃圾中氯和重金属含量高的物质进入垃圾焚烧厂。

另外,对该类污染物的捕获机理至今虽没有充分认识,但工程实践表明,凝结(低温控制)和高效颗粒物捕集有利于有机污染物的净化。

德国曾利用半干法净化工艺进行了系统的研究,结果如表所示。

从表中可以看出,对于有机类污染物的控制,袋式除尘器明显优于静电除尘器。

温度对有机污染物的去除有一定影响,低温有利于提高去除效率。

 

污染物种类

不同工艺组合的去除效率/%

半干法+静电除尘器

半干法+袋式除尘器

(高温)

半干法+袋式除尘器

(低温)

PCDD

TCDD

48

〈52

〉97

P-CDD

51

75

>99.6

H-CDD

73

93

>99.5

H-CDD

83

82

>99.6

OCDD

89

NA

>99.8

PCDF

TCDF

85

98

>99.4

P-CDF

84

88

>99.6

H-CDF

82

86

>99.7

H-CDF

83

92

>99.8

OCDF

85

NA

>99.8

注:

低温指出160℃,高温指示220℃,NA指没有引用。

 

在加拿大,曾曾利用“半干法+袋式除尘器”和“干法+袋式除尘器”工艺对污染物的去除效率进行了系统的研究,取得了与表4-1-9相似的高去除率。

结果表明,当袋式除尘器入口气体温度小于140℃时,总的二噁英类去除效率达99。

9%,尤其是毒性最强的TCDD的出口浓度达到最低,一般那情况下测不出。

当除尘器出口温度为110-209℃时,总的呋喃类污染物的去除效率为99。

3%。

可见,袋式除尘器对有机类污染物的净化是非常有效的。

重金属的净化

与有机类污染物的净化相似,“高效的颗粒物捕集”和“低渐控制”是重金属净化的二个主要方面,而采用什么样的吸收剂对净化效率影响不大。

重金属以固态或液态和气态的形式进入除尘器,当烟气冷却时,气态部分转化为可捕集的因态或液态微粒。

但是对于挥发性强大的重金属如Hg而言,即使除尘器以最低的温度操作,该部分金属仍有部分存在于烟气中。

总之,垃圾焚烧烟气净化系统的温度越低,则重金属的净化效果越好,反之越差。

在瑞典一中试垃圾焚烧厂,利用“湿法净化+静电除尘+后续冷却”的工艺使烟气净化系统的温度降至今60℃,结果总Hg(因态+气态)的排放浓度降低为0.01mg/Nm3.德国一家境采用“半尘法+静电除尘器”工艺的垃圾焚烧厂测试结果表明在150℃的操作条件下,气态形式的Hg的排放浓度为0.05mg/Nm3以下。

瑞典一家采用“半干法+袋式除尘器”净化工艺的垃圾焚烧三月测试数据表明,烟气排放颗粒物中的Hg可以达到测不出来的水平,而气态Hg的排放浓度范围为0.012-0.065mg/Nm3。

 

三烟气中粉尘的去除

垃圾焚烧厂的颗粒物控制和其他行业相同,可以分为静电分离、过滤、离心沉降及湿法洗涤先等几种形式。

常见的净化设备有静电除尘器、代式除尘器、和文丘里洗涤器。

由于焚烧烟中的颗粒物粒度很小(d<10um的颗粒物含量相对而言较高),为了支除小粒度的颗粒物,必须采用高效除尘器才能有效控制颗粒物的排放。

文丘里洗涤器虽然可以达到很高的除尘效率,但能耗较高且存在后续的废水处理问题,所以不再作为主要的颗粒物净化设备。

静电除尘器和袋式除尘器广泛用于发达国家垃圾对烟气中颗粒物的净化。

国外的工程实践表明,静电作尘器可以使颗粒物的浓度控制在于45mg/Nm3以下。

而袋式除尘器可合颗粒物的浓度控制在更低的水平,同时具有净化其它污染物的能力(如重金属、PCDDS等),因此,袋式除尘器的净化效果优于静电除尘器。

袋式除尘器的净化效果优于静电除尘器。

袋式除尘器虽然易受气体温度和颗粒物粘性的影响,致使滤料(耐高温、耐冲击)的造价增加和清灰不利,但净化效率却不受颗粒物比电阻和原始浓度的影响,而太高太低的比电阻却使静电除尘器的净化效率低,故二者各有其优缺点。

应说明的是,由于袋式除尘器在高效去除颗粒物的同时兼有净化其他污染物的作用,近年来国内外建设的大规模现代化垃圾焚烧厂大都采用袋式除尘器。

 

四管道系统及有关计算

(缺)

第二章半干反应塔系统

第一节半干反应塔系统概述

一、半干法反应系统功能

半干反应器系统的作用是给离开锅炉的烟气提供第一步的净化。

在反应塔中,烟气中的重金属和有害气体成份(HCl、SOx)与雾化器的很细的石灰浆液在适当的温度接触进行中和反应。

在反应塔出口通道活性碳喷入烟气中吸收汞和二恶英。

固体反应物随烟气进入下游的布袋除尘器,部分反应物在反应塔底部从烟气中分离出来通过底部圆锥排出到灰存储和处理系统。

二、半干法反应系统组成部分

半干反应塔系统基本上是由下列部件组成;有螺旋烟气进口通道的反应塔体,有石灰浆液和自来水喷入的旋转雾化器,有活性碳喷入口的烟气通道和收

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