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世界上最重要的煤油資源電站鍋爐微油點(diǎn)火技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

1煤代油在煤基身份的應(yīng)用前景廣闊隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,中國(guó)是世界上第二大石油消費(fèi)國(guó)和海外消費(fèi)國(guó)之一。我國(guó)煤炭資源相對(duì)豐富,而石油資源相對(duì)短缺。以煤代油是一項(xiàng)非常重要的能源政策,研究開(kāi)發(fā)推廣以煤代油的技術(shù)和產(chǎn)品是我國(guó)正在執(zhí)行的長(zhǎng)期能源戰(zhàn)略的一部分。我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組的啟停及低負(fù)荷穩(wěn)燃需消耗大量的石油資源,據(jù)統(tǒng)計(jì),年耗油量約1800萬(wàn)t,其中鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)及穩(wěn)燃用油約900萬(wàn)t。隨著新機(jī)組的陸續(xù)投運(yùn),燃油消耗還會(huì)激增。節(jié)約鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃用油勢(shì)在必行。2火炬點(diǎn)火技術(shù)鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃中以煤代油的節(jié)油技術(shù),按年代可以劃分為5代。(1)?第1代馬費(fèi)爐點(diǎn)火技術(shù)。前蘇聯(lián)衛(wèi)國(guó)戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí),出現(xiàn)了以煤代油電站煤粉鍋爐點(diǎn)火設(shè)備,該種設(shè)備僅能在小型煤粉爐中使用。基本結(jié)構(gòu):在主燃燒器的側(cè)墻上設(shè)有人工投煤固定爐排,爐排上方為輔助一次煤粉氣流。以人工手燒爐排火焰點(diǎn)燃輔助一次風(fēng)煤粉氣流,用輔助一次風(fēng)煤粉氣流火焰點(diǎn)燃主燃燒器。解放初期我國(guó)電站鍋爐曾廣泛采用馬費(fèi)爐點(diǎn)火裝置,后被火把點(diǎn)火取代。(2)?第2代預(yù)燃室點(diǎn)火和各種穩(wěn)燃裝置技術(shù)。20世紀(jì)70年代末,在世界能源危機(jī)的陰影下,各國(guó)紛紛采取應(yīng)對(duì)措施以改變能源窘迫狀況。我國(guó)的措施是:節(jié)省燃用油,燃油鍋爐改燒煤,推廣劣質(zhì)煤燃燒技術(shù)。電站鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃出現(xiàn)了大量的預(yù)燃室和穩(wěn)燃裝置,以煤代油來(lái)節(jié)省燃油消耗。根據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)時(shí)全國(guó)各電廠(chǎng)預(yù)燃室多達(dá)12種類(lèi)型,穩(wěn)燃措施或裝置多達(dá)10余種。目前,預(yù)燃室點(diǎn)火穩(wěn)燃裝置大多已被淘汰,但各種穩(wěn)燃裝置技術(shù)仍有一些被保留至今,包括日本三菱公司首創(chuàng)的濃淡型穩(wěn)燃技術(shù)、華中理工大學(xué)的鈍體穩(wěn)燃技術(shù)、西安交通大學(xué)夾心風(fēng)穩(wěn)燃技術(shù)和清華大學(xué)多功能(船型)技術(shù)等。(3)?第3代少油點(diǎn)火技術(shù)。將油槍直接安放在燃燒器一次風(fēng)口,配以簡(jiǎn)單的點(diǎn)火裝置。由于節(jié)油第1期姚文達(dá),等:電站鍋爐微油點(diǎn)火技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展·15·率有限,現(xiàn)已被淘汰。(4)?第4代等離子點(diǎn)火技術(shù)和第5代微油點(diǎn)火技術(shù)是現(xiàn)代大型機(jī)組鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃過(guò)程中,以煤代油的主流節(jié)油技術(shù)。3等距燃燒和微油燃燒的技術(shù)比較3.1等離子點(diǎn)火技術(shù)等離子發(fā)生器工作原理如圖1所示。等離子發(fā)生器由電源、線(xiàn)圈、陽(yáng)極、陰極組成。由電源送來(lái)200~600A電流至發(fā)火端,用25kV高頻線(xiàn)圈將兩電極之間的間隙擊穿,空氣電離成等離子體并形成高溫電弧,然后用等離子高溫電弧直接點(diǎn)燃一次風(fēng)煤粉氣流。等離子點(diǎn)火燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示。等離子點(diǎn)火技術(shù)具有無(wú)油點(diǎn)火的顯著優(yōu)點(diǎn),雖然結(jié)構(gòu)和材料已經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)并取得可喜的成績(jī),但到目前為止,尚不能稱(chēng)為完全成熟產(chǎn)品。早在20世紀(jì)60年代,美國(guó)CE公司、B&W公司、西屋公司、原蘇聯(lián)動(dòng)力科學(xué)研究院,就已開(kāi)始利用等離子電弧直接點(diǎn)燃煤粉氣流的研究,但直到20世紀(jì)80年代才完成了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和半工業(yè)試驗(yàn)。1995年澳大利亞太平洋國(guó)際電力公司研制出50?kW等離子煤粉燃燒器,應(yīng)用于曼莫拉電廠(chǎng)300?MW機(jī)組,但該技術(shù)只適用于揮發(fā)分大于25%的煙煤。設(shè)備費(fèi)用昂貴,不能應(yīng)用于貧煤與無(wú)煙煤。20世紀(jì)90年代初,俄羅斯與哈薩克斯坦動(dòng)力科學(xué)研究院完成了等離子電弧點(diǎn)燃煙煤的工業(yè)試驗(yàn),因設(shè)備簡(jiǎn)陋、損壞率高,不能作為工業(yè)產(chǎn)品推廣應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初期,我國(guó)在淮北電廠(chǎng)、濰坊電廠(chǎng)做過(guò)等離子點(diǎn)火的工業(yè)性試驗(yàn),但無(wú)正式的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。1995年哈薩克斯坦動(dòng)力科學(xué)研究院在我國(guó)寶雞電廠(chǎng)先后做了5次試驗(yàn),點(diǎn)燃揮發(fā)分為13%的銅川貧煤。正常運(yùn)行3?h8?min,后因設(shè)備故障和設(shè)備損壞而失敗。1997年,俄羅斯西伯利亞動(dòng)力科學(xué)研究院與我國(guó)廣州鑫際等離子有限公司在廣東韶關(guān)電廠(chǎng)#6爐(220?t/h)進(jìn)行了燃燒劣質(zhì)無(wú)煙煤的試驗(yàn),歷經(jīng)5年,最后因設(shè)備損壞而失敗。煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)有限公司1997年~2000年在煙臺(tái)電廠(chǎng)#1爐采用4臺(tái)等離子點(diǎn)火煤粉燃燒器,成功地點(diǎn)燃了煙煤。此后,該公司先后完成200余臺(tái)鍋爐等離子點(diǎn)火改造,其運(yùn)行情況較復(fù)雜,有些機(jī)組效果顯著,也有一些機(jī)組很不成功。目前,等離子點(diǎn)火技術(shù)存在以下問(wèn)題:設(shè)備可靠性差,準(zhǔn)確無(wú)誤的投運(yùn)率低;許多情況下不能正常運(yùn)行;等離子點(diǎn)火裝置在低負(fù)荷時(shí),往往不能直接點(diǎn)燃煤粉氣流,容易造成鍋爐低負(fù)荷滅火事故;原煤特性變化很大,不能點(diǎn)燃煤粉氣流;設(shè)備易發(fā)生故障點(diǎn)多,故障不易及時(shí)發(fā)現(xiàn),日常維修工作量大。產(chǎn)生上述問(wèn)題主要有4個(gè)原因。(1)?點(diǎn)火功率小,點(diǎn)火能量有限且很難增大,煤質(zhì)發(fā)生變化時(shí)難以應(yīng)對(duì)。目前,國(guó)內(nèi)等離子發(fā)生器的最大功率為300?kW,相當(dāng)于24?kg/h輕柴油的熱功率,燃燒難著火煤種時(shí)不能點(diǎn)燃煤粉氣流,當(dāng)煤種多變時(shí)不易點(diǎn)燃煤粉氣流。(2)?啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜。水、電、氣、風(fēng)缺一不可,且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),容易出現(xiàn)各種技術(shù)故障,如陽(yáng)極和陰極冷卻水泄漏,影響等離子點(diǎn)火器的使用。(3)?電極壽命有限,特別是電子發(fā)射頭、陰極頭是易損件。電流大小不同,其壽命不一,一般陰極壽命僅20~30?h,多次拉弧不成功或經(jīng)常掉弧時(shí)需要檢查或更換陰極;投運(yùn)期間經(jīng)常需要更換陰極,無(wú)法保證用于低負(fù)荷穩(wěn)燃;陰極易損壞,調(diào)整和維修不及時(shí)不能點(diǎn)燃煤粉氣流;在拉弧過(guò)程中,陽(yáng)極和陰極處于短路狀態(tài),可能造成陽(yáng)極損壞;陽(yáng)極由不同材料拼焊而成,在焊縫處因材料的膨脹系數(shù)不一致,容易開(kāi)焊而漏水。(4)?機(jī)械故障多,維護(hù)工作量大,需要有專(zhuān)人經(jīng)常維護(hù),否則無(wú)法投入使用。3.2煤粉氣流點(diǎn)火技術(shù)微油點(diǎn)火燃燒器工作原理主要有4點(diǎn)特征(其工作原理如圖3所示)。·16·華電技術(shù)第30卷(1)?煤粉濃縮。首先通過(guò)煤粉濃縮環(huán)對(duì)煤粉氣流進(jìn)行初步煤粉濃縮,然后通過(guò)兩級(jí)文丘里管進(jìn)一步濃縮煤粉,中心截面為濃相,四周環(huán)向?yàn)榈唷?2)?一級(jí)煤粉氣流預(yù)熱。通過(guò)預(yù)熱油槍霧化火炬將煤粉氣流預(yù)熱。在預(yù)熱過(guò)程中,煤粉氣流必然伴有熱解反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng),煤粉釋放出揮發(fā)分。(3)?逐級(jí)擴(kuò)大燃燒。首先用少量微油點(diǎn)燃很少量煤粉氣流,再用已點(diǎn)燃的煤粉氣流實(shí)現(xiàn)逐級(jí)擴(kuò)大燃燒。擴(kuò)大點(diǎn)火器的熱功率,滿(mǎn)足主燃燒器點(diǎn)火和穩(wěn)燃對(duì)熱功率的需求。(4)?逐級(jí)氣膜冷卻,保證煤粉氣流三級(jí)燃燒室管壁獲得足夠的冷卻。采用逐級(jí)氣膜風(fēng)冷卻,保證三級(jí)燃燒室管壁溫度不超溫。在現(xiàn)代實(shí)用的微油點(diǎn)火技術(shù)中,已經(jīng)取消了一級(jí)煤粉濃縮、煤粉氣流預(yù)熱室和預(yù)熱油槍套筒。微油點(diǎn)火技術(shù)是在等離子點(diǎn)火技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展的新技術(shù),開(kāi)發(fā)成功約有3年時(shí)間。它沿用了等離子分級(jí)點(diǎn)燃、逐級(jí)放大的點(diǎn)火原理,以極少量油在特殊結(jié)構(gòu)的微油槍中霧化并燃燒。霧化炬燃燒所釋放的熱量代替等離子弧的熱量,達(dá)到用微量油實(shí)現(xiàn)煤粉氣流的點(diǎn)火與穩(wěn)燃的目的,節(jié)油率在95%以上。微油點(diǎn)火技術(shù)是以常用的高能點(diǎn)火器點(diǎn)燃微油槍,用微油槍點(diǎn)燃煤粉氣流,以煤粉氣流的火焰代替大油槍的火焰,達(dá)到以煤代油的目的。微油點(diǎn)火技術(shù)具有投資少、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),準(zhǔn)確無(wú)誤的投運(yùn)率高,工況多變時(shí)仍能正常點(diǎn)燃煤粉氣流。在2個(gè)大修期之間運(yùn)行無(wú)故障,日常維修工作量少,已成為電站鍋爐節(jié)油點(diǎn)火的主流技術(shù)。微油點(diǎn)火技術(shù)中常用的微油槍的熱功率為465.2?kW,遠(yuǎn)大于目前國(guó)內(nèi)的等離子發(fā)生器的最大功率。要繼續(xù)擴(kuò)大微油槍的熱功率,在技術(shù)上不存在任何障礙。由于具有足夠的熱功率,無(wú)論燃燒難著火煤種還是煤種多變時(shí),都能及時(shí)點(diǎn)燃煤粉氣流。同時(shí),微油槍能保證在2個(gè)大修期間正常運(yùn)行,無(wú)須進(jìn)行調(diào)整和維修,不易出現(xiàn)各種技術(shù)故障,能保證點(diǎn)火裝置及時(shí)投入運(yùn)行。微油點(diǎn)火仍需要用少量的油來(lái)點(diǎn)燃煤氣流,但與常規(guī)大油槍點(diǎn)火相比,耗油量大大降低,耗油率減少了95%。與等離子點(diǎn)火相比,微油點(diǎn)火的可靠性具有明顯的優(yōu)勢(shì)。4煤種煉焦技術(shù)已投運(yùn)微油點(diǎn)火技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于100MW、125MW、200MW、300MW和600MW機(jī)組。燃燒煤種包括褐煤、煙煤和貧煤。就全國(guó)范圍看,除少數(shù)公司因技術(shù)不夠成熟、運(yùn)行不夠理想外,絕大多數(shù)已經(jīng)投入運(yùn)行的微油點(diǎn)火技術(shù)都很成功,運(yùn)行非??煽俊T谖⒂忘c(diǎn)火器實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須解決8個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。4.1旋流空氣霧化噴嘴微油槍的容量?jī)H有20~80kg/h,目前尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范。霧化噴嘴燃油通流截面的尺寸很小,加工精度要求高,保證理想霧化效果需要工藝水平高。通過(guò)長(zhǎng)期摸索,新開(kāi)發(fā)了多級(jí)旋流空氣霧化噴嘴(如圖4所示)。該噴嘴包括一級(jí)機(jī)械霧化、兩級(jí)壓縮空氣霧化,霧化效果非常理想。微油槍不僅包括霧化噴嘴,還包括高壓電火花點(diǎn)火器、油火焰的檢測(cè)、油加熱管和壓縮空氣加熱管以及高壓風(fēng)通道,微油點(diǎn)火器是它們的集合體(如圖5所示)。壓縮的空氣既為油的霧化提供了動(dòng)力,又為油霧化炬提供了助燃劑。燃燒所需的其余空氣由高壓風(fēng)來(lái)補(bǔ)充,高壓風(fēng)同時(shí)也是火檢探頭和微油點(diǎn)火器的冷卻介質(zhì)。油加熱管和壓縮空氣加熱管穿過(guò)油霧化火焰區(qū)得到加熱,使油加熱并有部分油氣化。加熱壓縮空氣是為了獲得更好的霧化效果。4.2擺動(dòng)噴口技術(shù)一般微油點(diǎn)火燃燒器安裝在主燃燒器一次風(fēng)口內(nèi),在微油點(diǎn)火改造中如何保證主燃燒器在正常運(yùn)行時(shí)性能不變,是必須要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。直流燃燒器必須保證原噴口的一次風(fēng)氣流的剛度不變,一次風(fēng)出口煤粉濃縮效果不變,必須保證擺動(dòng)噴口性能不變。國(guó)產(chǎn)300MW和600MW機(jī)組第1期姚文達(dá),等:電站鍋爐微油點(diǎn)火技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展·17·鍋爐往往采用寬調(diào)節(jié)比WR型燃燒器,它不但具有煤粉濃縮功能,而且?guī)в蠽型鈍體和擺動(dòng)噴口、優(yōu)秀的微油改造設(shè)計(jì),能解決WR型燃燒器的性能問(wèn)題,確保噴口原有性能不變。我國(guó)發(fā)電廠(chǎng)300?MW、600?MW和1000?MW機(jī)組中,部分鍋爐的燃燒器為旋流燃燒器。旋流燃燒器大概可分為B&W公司生產(chǎn)的雙重門(mén)燃燒器(DRB)和日立公司生產(chǎn)的HT-NR3低NOX燃燒器2種類(lèi)型。有些旋流燃燒器中心管中帶有濃縮錐。旋流燃燒器微油點(diǎn)改造剛剛起步,2006年開(kāi)發(fā)了較為成熟旋流燃燒器微油改造技術(shù),并保持原旋流燃燒器性能不變。4.3啟停頻繁,增加運(yùn)行成本我國(guó)135MW、200MW、300MW循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電機(jī)組已有幾百臺(tái),雖然循環(huán)流化床鍋爐無(wú)需用油槍來(lái)穩(wěn)燃,但循環(huán)流化床鍋爐啟停頻繁,啟動(dòng)耗油量大,增加了運(yùn)行成本。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了循環(huán)流化鍋爐微油點(diǎn)火技術(shù),2臺(tái)爐增加1臺(tái)小型磨煤設(shè)備,將原有的啟動(dòng)風(fēng)道燃燒器改造成微油點(diǎn)火燃燒器,即能實(shí)行微油點(diǎn)火。循環(huán)流化床鍋爐的微油點(diǎn)火方法已獲國(guó)家專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào):200610112705.8)。4.4風(fēng)道加熱器+煤粉機(jī)微油點(diǎn)火冷態(tài)啟動(dòng)時(shí),直吹式制粉系統(tǒng)將面臨冷磨無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)題——磨煤機(jī)啟動(dòng)條件要求進(jìn)口風(fēng)溫在180℃以上,必需加裝風(fēng)道加熱器。如果風(fēng)道加熱器以燃油作為熱源,燃用揮發(fā)物較高的煤種時(shí),必須要有防止明火引起爆燃的措施,這就需要有結(jié)構(gòu)完善的風(fēng)道加熱器。4.5可靠的微油槍退出系統(tǒng)在點(diǎn)火結(jié)束之后,微油點(diǎn)火器如果長(zhǎng)期暴露在煤粉氣流之中會(huì)被污染,降低了微油槍工作的可靠性,必需要有工作可靠且動(dòng)作靈活的進(jìn)退機(jī)構(gòu)。4.6火焰檢測(cè)和邏輯控制火焰檢測(cè)和邏輯控制是微油點(diǎn)火技術(shù)必不可少的輔助設(shè)備,而且必須進(jìn)入鍋爐的DCS系統(tǒng)。4.7爆炸汽油、過(guò)熱、渣漿泵技術(shù)微油點(diǎn)火燃燒器必須防止爆燃、防止過(guò)熱、防止結(jié)渣,并確保無(wú)二次再燃燒。4.8等離子點(diǎn)火技術(shù)的缺陷等離子點(diǎn)火可靠性較差,可用微油點(diǎn)火技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)等離子點(diǎn)火技術(shù)上的不足。微油等離子復(fù)合點(diǎn)火、穩(wěn)燃方法及裝置已獲國(guó)家專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào):200610144257.X)5微油燃燒前景開(kāi)發(fā)(1)?微燃燃燒技術(shù)主要用于燃?xì)庳S富地區(qū)火力發(fā)電廠(chǎng)。(2)?微重油燃燒技術(shù)主要用于原先采用重油點(diǎn)火的發(fā)電廠(chǎng)。(3)?該工藝采用富氧微油燃燒技術(shù)應(yīng)用富氧微油點(diǎn)火技術(shù)后,可進(jìn)一步提高節(jié)油率,有利于劣質(zhì)燃料點(diǎn)燃。(4)?黑市微燃燃燒技術(shù)可以進(jìn)一步提高節(jié)油率,有利于劣質(zhì)燃料點(diǎn)燃。(5)低頻加熱或高頻加熱燃燒技術(shù)屬于無(wú)油點(diǎn)火技術(shù)的一種。6試驗(yàn)要求微油點(diǎn)火技術(shù)的開(kāi)發(fā)必需要有良好的開(kāi)發(fā)手段,才能保證產(chǎn)品質(zhì)量。這是因?yàn)橛绊扅c(diǎn)火可靠性的因素很多,如煤種、煤粉濃度、一次風(fēng)速、一次風(fēng)量等。因此,試驗(yàn)手段已成為微油點(diǎn)火技術(shù)開(kāi)發(fā)的必要條件。一些小型模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)距離實(shí)際微油點(diǎn)火器燃燒工況很遠(yuǎn),不能真正說(shuō)明問(wèn)題,只有1∶1實(shí)際工況大型試驗(yàn)臺(tái)才能作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品驗(yàn)證的手段。所謂1∶1實(shí)際點(diǎn)火工況試驗(yàn)包括4個(gè)方面的含義:燃燒的是鍋爐實(shí)際使用的煤粉;試驗(yàn)臺(tái)燃燒器的形狀和尺寸與原鍋爐燃燒器尺寸相同;試驗(yàn)風(fēng)量與原鍋爐點(diǎn)火工況風(fēng)量相同;試驗(yàn)煤粉量與原鍋爐點(diǎn)火工況風(fēng)量相同。7使用示例7.1微油點(diǎn)火系統(tǒng)該鍋爐為單汽包自然循環(huán)煤粉爐,Π型露天布置、四角噴燃、固態(tài)水力排渣、中間儲(chǔ)倉(cāng)式乏氣送粉,配2臺(tái)DTM320/580型鋼球磨煤機(jī)。燃燒雁北的煙煤,揮發(fā)分為38.08%,發(fā)熱量為21658kJ/kg。燃燒方式采用四角切圓燃燒,鍋爐共12只一次風(fēng)煤粉燃燒器,分為3層布置。原設(shè)計(jì)點(diǎn)火油槍的出力為·18·華電技術(shù)第30卷800~1200kg/h,每臺(tái)爐8只,分2層分別布置在下二次風(fēng)和中二次風(fēng)口內(nèi)??紤]機(jī)組容量較小,同時(shí)燃用較好的煙煤,油槍出力選為20kg/h。選擇2個(gè)角(最下層一次風(fēng)#1角和#3角)安裝微油點(diǎn)火燃燒器,每一角裝主油槍和輔助油槍各1支。裝有微油點(diǎn)火的燃燒器如圖6所示。冷爐啟動(dòng)鑒定驗(yàn)收試驗(yàn)表明,微油點(diǎn)火系統(tǒng)運(yùn)行7?h后撤油。前2?h投用#1角,后5?h同時(shí)投用#1和#3角。當(dāng)負(fù)荷達(dá)80?MW時(shí),停用所有的微油槍,總耗油量480?kg。而使用大油槍鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)時(shí),燃油消耗量為20?t,節(jié)油率達(dá)97.6%。7.2燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鍋爐為SG-2093/17.5-M919型,亞臨界壓力、單汽包、控制循環(huán)、Π型布置的固態(tài)排渣煤粉鍋爐。燃用晉東南貧煤,其揮發(fā)分為15.48%,發(fā)熱量為24400kJ/kg。采用直流煤粉燃燒器,正四角布置直流燃燒器切圓燃燒方式,燃燒器共設(shè)置6層煤粉噴口。

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